输油管道疲劳裂纹分形研究

在一次输油管道含裂纹管段的现场水压试验中,有一些管子发生了断裂失效,通过对管道疲劳裂纹的定量分析发现,裂纹不是平直向前扩展的,而是弯折地扩展着,大的弯折中存在着许多小的弯折,具有统计自相似的嵌套结构,即具有分形特征。本文运用分形理论对这3根失效管子进行了分析,并建立了分形裂纹的安全评定方法。结果表明,本文建立的评定方法是可行的。     

基于分形理论的复杂应力状态下高温低周疲劳表面短裂纹行为研究

含有裂纹的固体从物理角度看实际上是一个非线性耗散系统,可以用分形理论加以描述.疲劳短裂纹的扩展路径可视为分形曲线,裂纹扩展路径的不规则性可用分形维数加以描述.裂纹扩展的分形维数中隐含着诸多的物理因素,如材料微观组织结构、加载条件等.以复杂应力状态下高温低周疲劳表面短裂纹为研究对象,对20钢进行高温低周疲劳试验,观测试样表面疲劳短裂纹的萌生扩展及合体的演化过程,对试验结果进行分形分析,得到裂纹分形维数随循环过程的演化特征:疲劳短裂纹的萌生扩展行为具有分形特征,分形维数随着疲劳进程的发展而稳定地成比例增加;分形维数不产生缺口依存性,可适用于各种不同应力比的复杂应力状态短裂纹的表征;分形维数可作为把握材料总体损伤状态的参数,为材料短裂纹阶段的寿命预测提供依据.     

疲劳裂纹扩展的影响因素分析

从材料抵抗裂纹扩展的能力和对试件或结构施加的载荷两方面对影响疲劳裂纹扩展速率因素进行分析。分析结果表明 ,从文中理论出发对影响疲劳裂纹扩展速率因素进行定量分析 ,并对众多的实验现象例如裂纹扩展速率随加载频率变化等作出合理解释。文中还对疲劳裂纹扩展速率的实验研究及工程应用提出见解 ,例如通过有限的疲劳裂纹扩展速率数据取得Kc、Kth值以及通过惯性效应的比较 ,在偏于安全条件下把试验室数据应用于工程结构疲劳寿命的预测     

钢材及焊接热影响区中低周疲劳裂纹扩展的原位观察

在扫描电镜下对铁素体－珠江体钢及焊接热影响区的低周疲劳裂纹扩展进行了动态原位观察，材料的微观组织对裂纹的扩展存在着明显的影响。提出疲劳裂纹扩展的形态及方式与材料的疲劳裂纹扩展阻力之间的存在着一定的关系，值得进一步研究。     

HG80钢及其焊接接头的疲劳裂纹扩展

为适应大型工程机械焊接用钢需要，对低合金高强度钢HG80及其焊接接头的疲劳裂纹扩展速率进行了研究。结果表明，疲劳裂纹扩展速率对钢板的轧制方向不敏感，焊缝及热影响区疲劳裂纹扩展速率明显低于基材。在排除焊接残余应力导致的裂纹闭合效应后，焊缝及热影响区疲劳裂纹扩展速率与基材相当。     

耦合宏微观效应的约束应力区疲劳裂纹模型的求解与应用

用约束应力区描述材料损伤状态,建立耦合宏微观效应的跨尺度疲劳裂纹模型,可描述材料疲劳破坏从微观缺陷到宏观断裂的整个过程。约束应力的分布取决于材料的损伤状态。假定约束应力为线性分布,在远场均匀拉应力作用下,应用Muskhelishivili方法,对跨尺度裂纹模型进行了解析求解,得到了裂纹张开位移与跨尺度应变能密度因子的解析解。以跨尺度应变能密度因子作为疲劳裂纹从微观到宏观扩展的控制参量,对疲劳破坏全过程进行了数值模拟计算。以LC4铝合金板为例,利用模型精确再现出不同疲劳荷载作用下的实验S-N曲线。由于模型考虑了微观因素的影响,疲劳实验数据的发散特性也精确再现出来。另外,通过数值计算,分析了微观效应对疲劳裂纹扩展行为的影响。     

表面疲劳裂纹扩展的三维效应

以拉伸圆杆为例，阐述表面疲劳裂纹扩展中的三维效应及其特点，利用最新的三维断裂力学成果给出一种考虑表面疲劳裂纹扩展三维效应的具体方法，通过该方法可以得到考虑三维应力状态的材料da/dN-ΔKeff曲线，以20CrMo钢为例，处理获得20CrMo材料的da/dN-ΔKeff基线，以此对圆杆表面疲劳裂纹的扩展进行预测分析，分析结果表明，使用该方法以及来自标准穿透裂纹试件的材料da/dN-ΔK数据可准确地预测圆杆表面疲劳裂纹的扩展寿命，该方法还可用于其他复杂结构的疲劳裂纹扩展分析。     

考虑裂纹闭合效应的疲劳裂纹扩展有限元分析

由材料塑性诱发的裂纹闭合效应对疲劳裂纹扩展的影响显著。针对紧凑拉伸试样，通过构建其有限元模型，同时考虑塑性诱发的裂纹闭合效应，采用恒幅循环加载方式，对试样裂纹扩展区域内节点位移和反力进行计算与处理，获得了裂纹张开载荷，并讨论了网格尺寸、节点释放时刻、监测点位置等对裂纹张开载荷的影响；对于稳定的裂纹张开载荷，探讨了基于节点反力的线性插值计算方法，可获得更加精确的数值，研究成果对疲劳裂纹扩展分析和寿命预测具有参考价值。     

超声疲劳裂纹扩展与摩擦生热研究

在高频循环载荷作用下,材料疲劳裂纹的萌生与扩展过程伴随着明显的温度变化,该温度变化反映材料内部结构的损伤特征。通过20 kHz的超声疲劳试验,研究一种碳锰钢在超高周疲劳加载条件下的内部疲劳裂纹萌生与扩展过程中温度的演化过程。通过对该材料在疲劳损伤过程中,内部裂纹间的摩擦生热机理分析,从微观角度出发,结合分形理论,建立内部裂纹微观结构的摩擦模型,数值模拟超声疲劳过程中材料内部疲劳裂纹面间的摩擦生热情况,并定量地计算该过程中由裂纹间摩擦所导致的温度上升,将模拟结果与试验结果进行比较。探究高频疲劳载荷下微裂纹扩展与摩擦生热的关系,并结合超高周疲劳裂纹扩展公式,建立超声疲劳过程中的裂纹扩展与裂纹面温度演化关系的模型。     

镍基双晶晶界疲劳屏蔽效应

对晶界平行裂纹和晶界垂直裂纹的双晶体进行三点弯曲疲劳实验,研究了双晶晶界的疲劳裂纹扩展规律,测定了双晶的疲劳扩展速率,揭示了晶界对晶粒疲劳裂纹扩展的屏蔽效应当裂纹距晶界某一特定长度时,裂纹扩展速度最快;而裂纹顶端交于晶界时,裂纹扩展速度最慢.进一步的晶体滑移有限元数值分析揭示了这种屏蔽效应的机理裂纹的扩展速度与裂纹顶端的应力场,而裂纹顶端的应力场又与晶粒和晶界的相对位置有关.     

基于疲劳短裂纹行为的疲劳寿命估算方法

在疲劳短裂纹形成和扩展行为基础上，提出了一种疲劳寿命估算方法。计算结果表明，该方法具有满意的预测精度。     

疲劳短裂纹的损伤特征和计算机模拟

对一种焊接用低碳钢的实验研究表明，疲劳短裂纹萌生了铁素体晶粒区域的滑移带，短裂纹数密度随疲劳周次不断增加，短裂纹的取向与所在铁素体晶粒的滑移位向相关。以所观察到的短裂纹特征为背景，用计算机模拟短裂纹萌生，扩展，汇合的演化过程，模拟结果显示，短裂纹损伤导致断裂的临界指数具有很宽的分布带，面裂纹路径具有较稳定的分维数值。     

30Cr2Ni4MoV转子钢II型裂纹的疲劳扩展行为

材料疲劳裂纹扩展(Fatigue crack propagation,FCP)速率是表征材料抗疲劳破坏的重要力学性能指标,是对核反应堆工程、化工、航空、航天、高铁等关键工程进行结构完整性评价的重要依据。采用Arcan试样对30Cr2Ni4MoV转子钢的II型裂纹疲劳扩展行为进行研究,结合已有裂纹扩展方向预测准则对II型裂纹疲劳扩展方向进行预测,结果表明,最大周向应力准则可以较好地预测II型裂纹疲劳扩展方向。采用紧凑拉伸(Compact tension,CT)试样获取30Cr2Ni4MoV转子钢的I型裂纹疲劳扩展速率,对比I型裂纹和II型裂纹的疲劳扩展试验获得的FCP速率与J积分范围关系趋势,二者较为接近。针对30Cr2Ni4MoV转子钢,依据Arcan试样获得的II型裂纹疲劳扩展速率试验结果可用于结构裂纹扩展剩余寿命的预测。     

基于声发射技术的金属高频疲劳监测

采用声发射技术监测高频疲劳条件下金属材料裂纹的扩展。介绍了如何运用软硬件处理的方法，从采集到的信号中分离出裂纹扩展的声发射信号。从处理后的声发射信号与观察得到的裂纹扩展对比来看，声发射参数的变化能够有效地反映材料疲劳裂纹扩展的过程，并且能更早地发现试样内部微小裂纹的变化。通过试验，得出了紧凑拉伸试样在裂纹稳定扩展阶段声发射信号能量率与应力强度因子幅值之间的关系式。     

钛合金Ti-6Al-4V两种微观结构的裂纹扩展行为研究

介绍对两种均匀锻造的片晶结构的钛合金Ti-6Al-4V的疲劳裂纹扩展性能的研究情况。在材料准备时，注意避免材料的方向性等对性能的影响。采用标准试验方法进行各项力学性能试验，试验数据表明，两种片晶微观结构的钛合金的拉伸强度相差约5％，拉伸塑性相关13％，疲劳行为有较大不同，微观组织细密的钛合金材料的性能比较好。两种片晶的小裂纹扩展速率与长裂纹扩展速率相比有明显增加，但对于本研究的试验条件，在应力比R＝0和R＝－1的情况下，两种状态之间的裂纹扩展行为差别不大。试验数据说明，裂纹闭合是小裂纹效应的主要原因之一。     

疲劳近门槛值区裂纹扩展模式变化的试验研究

利用扫描电镜观察疲劳门槛值区试样的裂纹表面形貌,研究了疲劳门槛值区裂纹扩展模式的分布,分析了裂纹扩展模式的变化对疲劳裂纹扩展速率da／dN的影响。结果表明,断口形貌存在面型断裂（沿晶或穿晶）（Faceted Fracture,FF）,面型断裂分数（Percentageof Faceted Fracture,PFF）最大值出现在循环塑性区尺寸接近原始奥氏体晶粒直径时。通过比较循环塑性区尺寸与晶粒尺寸,随着应力强度因子幅值AK的降低,裂纹先以辉纹型模式扩展,在PFF达到最大值后,裂纹以晶体学模式扩展。辉纹型模式扩展时,PFF的变化对da／dN影响不大;晶体学模式扩展时,由于FF诱发裂纹闭合,从而降低da／dN。     

基于ABAQUS的圆柱直齿轮齿根裂纹扩展与寿命估计

以渐开线直齿轮为研究对象,通过齿轮应力分析确定轮齿裂纹易萌生位置,利用ABAQUS软件建立齿轮裂纹扩展有限元模型,获取齿根裂纹扩展路径,计算不同阶段裂纹尖端应力强度因子.通过多种曲线拟合方式的对比,选取指数函数建立的裂纹长度与裂纹尖端应力强度因子幅之间的函数关系.运用Paris公式构建裂纹扩展速率模型,实现含齿根裂纹齿...     

Crack propagation behavior based on the characteristic of the interaction between two fatigue cracks

Stress interaction fields, which are caused by propagating cracks and other defects, can weaken structures. In this study, crack behavior in the interaction field caused by two different cracks is experimentally studied. In the experiment, the vertical distance between two cracks and the applied stresses are varied to craate different stress interaction fields. In addition, the effect of the plastic zone is used to examine the crack propagation path and rate. Three types of crack propagation in the interaction field were found, and the crack propagating path and rate of two cracks were significantly affected according to different applied stresses as each crack propagates. These results are attributed to the effect of the size and shape of the plastic zone.     

疲劳裂纹扩展速率两种数据处理方法的比较

采用七点递增多项式法和Smith法对20MnHR焊缝与热影响区疲劳裂纹扩展速率试验数据进行处理，求得试样疲劳裂纹扩展速率及裂纹尖端应力强度因子范围的值，并对试验结果进行比较分析。试验分析说明较薄试样可以得到疲劳裂纹扩展速率的斜率转折点，以平面应变性质为基础的Paris裂纹扩展速率定律能够安全地应用。在较大范围的扩展区域内，用七点递增多项式法得到的疲劳裂纹扩展速率比Smith法具有较高的安全系数，可应用于实际的焊接结构，并具有一定的安全性。     

韧性硬化材料裂纹扩展分形研究

基于分形理论，推出了韧性金属硬化材料裂纹扩展的分形运动学公式，得出了动、静态断裂能量释放率与分形裂纹扩展速度、ＨＲＲ场角分布函数、微结构特征量？？ｃ，以及分形维数Ｄｆ的关系，从而得出了材料断口裂纹分形扩展速度的计算表达式，经分析表明，宏观测量的裂纹扩展速度ｖ０小于分形裂纹扩展速度ｖ，理论分析结果与试验结果趋于一致。