高速列车制动盘SiCp／A356颗粒增强铝基复合材料的热疲劳性能研究

通过SiCp／A356颗粒增强复合材料切口试样在20℃-300℃循环下的热疲劳试验,获得热疲劳裂纹形成寿命与试样切口半径及厚度等几何尺寸的关系。采用热弹塑性有限元法模拟热疲劳试验中试样切口根部的应力．应变响应,进而揭示出残余应力形成机制。结合热疲劳试验的裂纹形成寿命与有限元模拟的应力．应变响应,建立起考虑平均应力影响的...     

2A12铝合金疲劳裂纹的成核与扩展机理EI北大核心CSCD

进行了不同应力水平下和不同应力比下2A12铝合金试验件的疲劳试验,并对试验件疲劳断口显微结构进行分析和对比,以揭示疲劳裂纹成核与扩展的微观特征。结果表明:2A12铝合金的疲劳裂纹在靠近试验件表面较为粗大的第二相粒子或试验件棱角缺陷处成核;成核位置距试验件表面的距离与应力水平和应力比有关,疲劳裂纹扩展区域也与应力水平和应力比有关。应力水平较小或应力较大时,疲劳裂纹沿晶扩展和穿晶扩展尤为明显。疲劳断口的裂纹成核粒子越小(大),试验件疲劳寿命越短(长),微裂纹成核寿命是疲劳全寿命计算中不可忽视的部分。     

正交铺层PIP-SiC_(f)/SiC复合材料的水淬失效行为EI北大核心CSCD

铺层方式是影响预浸料铺贴工艺制备SiC_(f)/SiC复合材料抗热震性能的关键因素之一。以先驱体浸渍裂解(PIP)工艺制备的SiC_(f)/SiC复合材料为研究对象,基于内聚力模型,对不同正交铺层方式的方形试样开展1200℃高温水淬实验及有限元仿真研究。结果表明:水淬过程中试样表面温度急剧下降,芯部与表面存在较大温差,顶角与芯部温差最高可达1077℃,导致复合材料的主要失效模式为层间开裂和基体开裂,且试样层间开裂位置与铺层方式有关。由模拟结果可知,由于正交铺层方式的不同,试样的层间开裂位移也存在显著差异:[0/90]与[0/90/0]两种铺层方式层间主裂纹开裂位移约为0.61 mm,而[0/0/90/90]铺层主开裂位移仅为0.04 mm。此外,随着水淬时间的增加,层间主裂纹开裂位移逐渐增大,而次裂纹在开裂后逐渐发生闭合现象。     

显微组织及频率对Ti_3Al基合金疲劳裂纹扩展速率的影响EI北大核心

以不同的频率对具有不同显微组织的Ti3Al基合金的疲劳裂纹扩展行为进行了研究。结果表明,显微组织及频率对材料的da/dN有强烈的影响,1080℃固溶处理组织具有最低的疲劳裂纹扩展速率,1110℃固溶处理组织具有最高的疲劳裂纹扩展速率。随着频率的降低,三种显微组织的疲劳裂纹扩展速率都有所增加。初生α2相的体积分数是影响疲劳扩展速率的重要因素。含有初生α2相的组织及不含初生α2相的组织的疲劳裂纹扩展有不同的机制。     

U75V重轨钢弯曲疲劳裂纹扩展行为EI北大核心

为明确珠光体钢轨的疲劳裂纹扩展行为,测定U75V重轨钢轧态和热处理态两种条件下的三点弯曲疲劳裂纹扩展速率,采用光学显微镜、扫描电镜、EBSD对钢轨的微观组织、片层、断口形貌及裂纹扩展轨迹进行观察。结果表明:轧态和热处理态钢轨的疲劳辉纹平均间距分别为253,215 nm,轧态钢轨的疲劳断口呈现解理台阶与河流花样形貌,且河流花样趋于合并,而热处理态钢轨的疲劳断口呈现大量的解理台阶及较多的微裂纹和撕裂棱,河流花样以支流为主;热处理态钢轨的疲劳裂纹扩展速率远低于轧态,到达裂纹失稳阶段也较滞后;轧态和热处理态钢轨的疲劳裂纹扩展都是以穿晶断裂为主的穿晶断裂和沿晶断裂混合扩展方式进行,轧态和热处理态钢轨的珠光体片层间距分别为272,148 nm,其中热处理态钢轨的珠光体片层细密且方向多样,存在显著的珠光体团簇,裂纹扩展轨迹中出现较多的分支裂纹和裂纹桥接现象,对扩展起到阻碍作用,是热处理态钢轨抗疲劳裂纹扩展能力优于轧态的重要原因。     

直角突变式钢吊车梁裂纹扩展及疲劳寿命研究EI北大核心CSCD

直角突变式钢吊车梁的变截面部位易发生疲劳破坏。为准确评估吊车梁的疲劳性能,采用基于线弹性断裂力学的Paris公式进行三维裂纹扩展数值模拟,研究其裂纹扩展特性和疲劳寿命,并验证该方法的可行性。根据吊车梁变截面部位T形角焊缝破坏特点,给出了合理初始裂纹深度和形状取值。系统地分析了端部加劲肋距变截面距离、支座处截面高度、下翼缘连接长度、端封板厚度和插入板厚度等因素对变截面部位裂纹扩展和疲劳性能的影响规律,得到了主要影响参数的建议取值范围,可为类似工程设计提供参考依据。     

挤压复合AZ91-(SiC_(P)/AZ91)复合板材显微组织和力学性能EI北大核心

在300,350,400℃下成功通过挤压复合法制备多层AZ91-(SiC_(P)/AZ91)复合板,探究AZ91-(SiC_(P)/AZ91)复合板中SiC_(P)/AZ91复合材料层和AZ91层的显微组织演变、界面的演化机制和力学性能变化规律。结果表明:热挤压复合中,AZ91-(SiC_(P)/AZ91)多层复合板中合金层发生完全动态再结晶,晶粒细化,合金组织随挤压温度的升高更均匀,而且外层合金层比内层合金层晶粒尺寸略大;SiC_(P)/AZ91复合材料层同样发生完全动态再结晶,晶粒尺寸小于合金层,随着挤压温度的升高,SiC_(P)的分布更加均匀;不同挤压温度下AZ91-(SiC_(P)/AZ91)复合板合金层与复合材料层界面均未出现明显的分层以及开裂现象;AZ91-(SiC_(P)/AZ91)复合板的室温力学强度位于AZ91合金与SiC_(P)/AZ91复合材料之间,SiC_(P)/AZ91层中SiC_(P)与基体界面脱粘是导致复合板材失效的主要原因。     

基于数字孪生的裂纹扩展结构健康管理方法研究EI北大核心CSCD

疲劳裂纹是金属结构常见的损伤之一,提出了一种构建数字孪生模型对裂纹扩展结构进行健康管理的方法。在数字孪生模型的建立过程中,首先建立裂纹结构的有限元模型,并结合Paris公式构建裂纹扩展模型;其次基于动态贝叶斯网络表示裂纹状态随时间演化的规律;最后采用粒子滤波算法作为模型的推理算法,从而在数字空间中完成对裂纹扩展行为的描述。通过应变传感器实时在线监测裂纹状态,驱动孪生模型动态更新,实现裂纹扩展状态和剩余使用寿命更准确的预测。通过试验验证了该方法在裂纹扩展结构健康管理上的有效性与实用性。     

针刺C/SiC复合材料拉-压疲劳特性与失效机理EI北大核心CSCD

研究了室温下针刺C/SiC复合材料的拉-压疲劳特性,并与其拉-拉疲劳特性进行了对比。结果表明:针刺C/SiC复合材料的拉-压疲劳强度略低于拉-拉疲劳强度;两种循环载荷下都存在迟滞现象,随着循环数的增大迟滞环不断右移,且偏斜程度和包围面积不断增大。采用扫描电子显微镜对失效试件的断口形貌和微观结构的观察表明:除了垂直于加载方向的基体开裂以及界面脱粘,拉-压循环加载下的细观失效机制还包括平行于加载方向的基体开裂以及层间的开裂。这些平行于加载方向的损伤使得纤维受力状态恶化,最终削弱了针刺C/SiC复合材料拉-压疲劳强度。     

Physical meaning of ΔKRP and fatigue crack propagation in the residual stress distribution field

Previous papers have shown ΔK_RP to be a useful parameter describing fatigue crack propagation behavior, where ΔK_RP is an effective stress intensity factor range corresponding to the excess RPG load (re-tensile plastic zone's generated load) in which the retensile plastic zone appears under the loading process. In this paper, the relationship between ΔK_RP and the zone size ( ) (which is smaller between the tensile plastic zone at maximum load and the compressive plastic zone at minimum load) was investigated using a crack opening/closing simulation model so as to consider a physical meaning of ΔK_RP. As a result, it becomes clear that ΔK_RP dominates the zone size where fatigue damage mostly occurs. This result supports the following crack propagation equation

where C and m are material constants.Simulation and fatigue crack propagation tests were then carried out for compact tension (CT), center cracked tension (CCT) and four points bend (4PB) specimens under constant amplitude loading to obtain C and m values for HT-50 steel. Fatigue crack propagation tests were also carried out under constant amplitude loading using CCT specimens with residual stress distribution due to flame gas heating at the center line or edge lines. The T specimen introduced tensile residual stress at the tip of a notch, and the C specimen introduced compressive residual stress. It therefore becomes clear that tensile residual stress leads to a decrease in RPG load, while compressive residual stress leads to increase in RPG load, and that the simulation results are in good agreement with the experimental RPG load. It also becomes clear that simulated crack growth curve using the simulated and the above equation is in good agreement with the experimental curve. It is understood that tensile residual stress creates only a slight increase in crack propagation rate and compressive residual stress create a big decrease a crack propagation rate.     

高体积分数SiCp/A356复合材料的显微组织和电导率

铝基复合材料在电子封装领域存在着潜在的应用前景。为获得高体积分数的铝基复合材料,利用压力浸渗法制备了高体积分数SiC颗粒增强A356复合材料(SiC_p/A356),通过金相显微镜、XRD、SEM和EDS等分析手段对其物相、显微结构和电导率进行了表征。结果表明:用该方法制备的SiC_p/A356复合材料组织致密,颗粒分布均匀,界面结合性能较好;SiC增强颗粒与A356基体界面反应控制良好,仅有少量Al4C3脆性相生成。SiC粉体经颗粒表面氧化处理在其表面生成一层SiO_2薄膜,虽抑制了界面反应的发生,但也使复合材料的收缩减小,电阻率增大,导电性能变差。     

电子封装SiCp/356Al复合材料制备及热膨胀性能

采用无压渗透法制备了SiCp／356Al复合材抖．用SEM和XRD对复合材料组织形貌和物相进行了研究，测定了复合材料在50-400℃温度区间的热膨胀系数。分析了复合材料热膨胀性能的影响因素。结果表明SiCp／356Al复合材料中SiC颗粒分布均匀，无明显新相形成，复合材料的热膨胀系数比基体合金的热膨胀系数显著降低，复合材料热应力引起热膨胀性能的变化随温度的不同而不同。     

基于应力强度因子评估WCP形状对WCP/Fe复合材料热疲劳裂纹扩展行为的影响

应力强度因子在断裂力学中广泛应用于预测由远程载荷或残余应力引起的裂缝尖端附近应力状态。本文基于平面应力条件下应力强度因子建立WC_P形状与其尖端应力之间的规律,利用有限元分析软件对含不同形状WC_P的WC_P/Fe复合材料的热应力进行模拟仿真,研究WC_P形状对WC_P/Fe复合材料热疲劳裂纹扩展行为的影响。研究结果表明,WC_P的形状显著影响应力强度因子,进一步影响WC_P/Fe复合材料的热疲劳裂纹扩展行为。含球状和不规则状WC_P的WC_P/Fe复合材料的极限抗压强度分别约为460 MPa和370 MPa。含不规则状WC_P的WC_P/Fe复合材料因应力集中而容易产生脆性开裂现象。通过热震实验进行验证,发现实验结果与模拟仿真结果相近,说明有限元法的准确性,同时为WC_P/Fe复合材料的热疲劳裂纹扩展行为研究提供科学依据和理论基础。      

Determination of the length dependence of the threshold for fatigue crack propagation

A rising load amplitude crack growth test on specimens pre-cracked in cyclic compression is presented as a procedure to determine the length dependence of the threshold of fatigue crack propagation described by the R(resistance)-curve for the threshold of stress intensity factor range. The experimental results show that the residual stress field in front of the pre-crack can significantly influence the R-curve.In order to measure the material specific R-curve which is not affected by the pre-cracking condition it is important to use the smallest possible load amplitude. To achieve this goal, a very small notch root radius is essential. It is shown that at notches machined by razor blade polishing technique the load amplitude for pre-cracking can be reduced to values where the load history does not influence the R-curve for the threshold of stress intensity range.