16MnR钢在不同应力比下的疲劳裂纹扩展的试验研究及模拟

采用3.8 mm厚带有圆形缺口的CT试样,研究了16MnR钢在不同应力比的恒幅循环载荷作用下的疲劳裂纹扩展。开发了一种基于疲劳损伤的方法来模拟疲劳裂纹扩展速率。将16MnR钢的循环塑性本构模型通过用户材料子程序UMAT嵌入到ABAQUS中。把有限元计算得到的疲劳裂纹尖端附近区域的弹塑性循环应力应变结果,代入到疲劳损伤模型中,得到每个加载循环在裂尖各点产生的疲劳损伤值。通过疲劳损伤准则,导出疲劳裂纹稳定扩展速率的计算公式。疲劳裂纹扩展试验验证了模拟结果。实验结果和模拟结果都表明,该试样厚度下,应力比对裂纹扩展速率几乎没有影响。     

单晶硅微薄膜V形缺口疲劳特性研究

采用微疲劳试验机与光学显微镜搭建一套微观疲劳试验系统。在室温条件下,通过控制载荷对单侧V形缺口的单晶硅微薄膜进行脉动拉伸疲劳试验,研究其疲劳特性。首先将单晶硅微薄膜V形缺口试样疲劳试验数据与单晶硅微薄膜光滑试样疲劳试验数据进行对比,分析发现V形缺口的引入会使单晶硅试样的疲劳强度及其抵抗弯矩的能力显著降低。试验结果表明,缺口试样发生破坏的应力幅度界限分明,与光滑试样相比,其破坏特性更趋近于宏观脆性断裂。通过扫描电镜分别对单晶硅微薄膜光滑试样与V形缺口试样进行断口分析,发现单晶硅微薄膜在循环应力作用下出现脆性疲劳破坏行为,其断口形貌特征与晶体结构密切相关。     

980MPa高强钢TIG焊接接头原位拉伸断裂机理

对新型980MPa深海用高强钢TIG焊接接头5种不同缺口位置的试样进行了原位拉伸试验,通过试验观察了每个试样的动态断裂过程,并对其断裂机理进行了详细研究和分析,最终确定焊接接头的薄弱环节。试验结果表明:直缺口试样的微观断裂经历了塑性变形、缺口处起裂、裂纹扩展、裂纹尖端钝化,直至试样断裂的过程,并且在裂纹扩展过程中,裂纹尖端重复钝化、扩展、新裂纹产生、再钝化、再扩展的过程;圆弧试样和平板试样在剪切力的作用下经历塑性变形、颈缩、出现微裂纹、微裂纹扩展,直至试样瞬间断裂的过程,并且圆弧试样和平板试样的起裂应力和断裂应力十分接近,表现为突发形式;平板试样中发现最后断裂在焊缝金属处,这说明其薄弱环节为焊缝金属处。     

不同厚度2A12-T4铝合金板的疲劳裂纹扩展形貌

对不同厚度2A12-T4铝合金单边缺口试样进行了疲劳裂纹扩展试验,观察了裂纹稳定扩展前沿形貌并用椭圆方程进行了拟合,得到了椭圆方程拟合参数;建立了裂纹前沿相对隧道深度与试样厚度之间的数学表达式,并对裂纹扩展前沿形貌转变的临界厚度进行了预测,最后进行了试验验证。结果表明:随着试样厚度的增加,试样表层与中心层裂纹长度的差值逐渐变小,疲劳裂纹稳定扩展前沿形貌由"隧道"形状逐渐变成与表面垂直的直线形;裂纹前沿相对隧道深度随试样厚度的增加而减小,并在厚度为31.5mm时趋向0,试验结果证明了预测结果的准确性。     

高超载比超载对Q345钢的疲劳性能的影响

采用Q345钢制作成紧凑拉伸试样,并在裂纹萌生后进行超载.通过疲劳裂纹扩展试验,研究高超载比超载对疲劳裂纹扩展速率的影响,分析其延寿机理.研究发现:较高的超载比使试样引入了残余压应力,使得有效应力强度因子降低至应力强度因子门槛值附近.可以降低疲劳裂纹扩展速率,抑制裂纹扩展,延长试样的疲劳寿命,通过此方法提高了含裂纹结构的使用寿命.     

试样尺寸对钢的细观解理断裂应力的影响

通过三维有限元计算并结合起裂源位置的测量，精确测定一种C-Mn钢不同尺寸(W、B和α)和宽度(B)的四点弯曲(4PB)缺口试样的细观解理断裂应力。发现随试样尺寸和试样宽度的增加，断裂载荷明显变化，但细观解理断裂应力基本不变。不同尺寸和宽度的缺口试样的解理断裂主要由正应力判据控制。稳定的下限细观解理断裂应力值可以用较大尺寸的缺口试样测得，可用于评价钢的断裂韧度和结构安全性。在缺口试样中，解理断裂的临界事件是铁素体晶粒尺寸的裂纹扩展进入基体，不随试样尺寸和宽度变化。细观解理断裂应力主要由临界裂纹的长度决定。     

压缩超载残余应力对疲劳裂纹扩展的影响

对对称双V型缺口试件的疲劳试验结果表明,压缩超载后,缺口试件的疲劳裂纹扩展速率增大,其原因是由于压缩超载后在缺口根部产生了反向残余拉应力。对此残余应力分布,本文采用了弹塑性有限元方法进行计算,并运用R′法定量分析了压缩超载残余应力对疲劳裂纹扩展的影响。     

37CrNi3MoVE钢不同加载速率下应力腐蚀行为的试验研究

利用紧凑拉伸(CT)试样对水下高压气瓶用钢37CrNi3MoVE材料在模拟海水环境中进行了应力腐蚀试验研究,采用恒位移速率控制,试样为平面应力试样,获得了不同位移速率下载荷一位移曲线和裂纹扩展速率与应力强度因子关系曲线.结果表明,载荷与裂纹扩展速率增长趋势与加载速率密切相关,位移速率为5.0×10-5 mm/s比1.0×10-5 mm/s时裂纹扩展前期的最大载荷高12.73％,裂纹扩展约2 mm后,相同裂纹长度下能承受的载荷基本一致;该材料在海水环境中,平面应力状态下,裂纹起始扩展应力强度因子约110 MPa√m.位移速率为1.0×10-5 mm/s和3.0×10-5mm/s时测得的裂纹扩展速率da/ dt分别出现2.9×10-5 mm/s和8.2×10-5 mm/s的稳定扩展阶段,但位移速率为5.0×10-5 mm/s时,da/dt与KI的关系曲线没有明显稳定扩展阶段.位移速率低者比位移速率高的应力腐蚀明显.     

基于临界距离法的含表面缺陷车轴试样疲劳强度预测

基于临界距离法进行含表面缺陷车轴试样疲劳强度预测研究。使用轴向疲劳试验测试光滑试样、环状V型缺口试样、孔洞缺口试样的疲劳极限,同时也测试了材料在应力比R=-1下的裂纹扩展门槛值。借助有限元计算,基于临界距离法预测含表面缺陷车轴试样的疲劳极限,并采用试验结果验证。研究结果表明,当基于临界距离法预测含表面缺陷车轴试样的疲劳极限时,临界距离法中的点法误差较大,而线法具有更高的预测精度,能够满足工程需求。该方法在对预测表面缺陷车轴疲劳强度上具有重要指导意义。     

微试样法测量25Cr2NiMo1V钢断裂韧度试验研究

以25Cr2Ni Mo1V转子钢为研究对象,采用微三点弯曲试样开展了室温下的断裂韧度试验,分析了断裂韧度的尺寸相关性。结果表明,相对于大尺寸试样,微试样断裂韧度减小且数据分散。这主要由于微试样平面应力状态占主导,试样厚度和韧带对裂尖变形的拘束程度减小,裂纹稳定扩展能力下降。结果为采用缺口微试样测量断裂韧度提供了有益的尝试。     

低周疲劳精密下料新工艺及试验研究

传统的金属棒料下料工艺存在着材料利用率低、能耗高、生产效率低以及下料断面质量差等问题。采用一种新的下料工艺-周向加载低周疲劳精密下料技术,利用V形槽的应力集中效应,促使棒料V形槽底尖端处疲劳裂纹的萌生及疲劳裂纹的快速扩展。描述周向加载低周疲劳精密下料机的工作原理。给出在低周疲劳下棒料V形槽根部裂纹是否起裂的判据。采用两种控制曲线对5种材料(20钢、H59、45钢、20Cr和LY12)的棒料进行试验研究,实现加速棒料裂纹的产生、扩展并获得良好的棒料断面质量。试验结果表明,V形槽的应力集中效应可以有效地减小棒料下料过程中的平均应力,在不断增加打击位移的同时减小冲击频率可以保证棒料裂纹的稳定扩展和断裂。     

Fatigue cracks at notches

The failure of a component or specimen due to a fatigue crack growing from a notch is considered. Previous methods of analysis involving stress and strain concentration factors are shown to be inadequate. By defining equivalent cracks in notched and un-notched situations as cracks with equal growth rates, the concept of notch contribution to crack length is introduced. Theoretical notch contributions are obtained for a variety of central and edge elliptical notches via stress intensity factor solutions. These results when extended to a very wide range of general notch shapes can be reduced to a useful and simple design rule where e is the contribution to a crack of length l growing from a notch of depth D and root radius . This rule combines the size and shape effects long known to affect fatigue behaviour and defines the extent of the notch field as 0·13√(D).The fatigue crack propagation lives of a wide variety of notches were estimated by this rule and comparisons with experimental values revealed very small errors normally well within the scatter of fatigue lives.The design rule is extended to enable the conventional stress intensity factor method to be employed. A fatigue concentration factor is proposed which takes into account the presence of a fatigue crack which all previous methods have ignored.     

冲击值与金属材料其他力学性能关系的研究

通过试验研究与理论分析,确定缺口应力集中系数,找出缺口应力集中系数和应力强化系数之间的关系;通过40CrMnSiMoA数字化冲击试验数据分析结果,找出冲击值与材料缺口敏感性的关系、冲击裂纹形成功与疲劳裂纹形成寿命之间的关系;从而得出结论:对于高强度和超高强度材料,冲击功值对缺口试样疲劳裂纹形成寿命影响更大,且冲击功值较高的材料比冲击功值较低的材料在等应力条件下疲劳寿命长。     

钝缺口试样疲劳短裂纹形成与扩展

对两种晶粒尺寸的中碳钢钝缺口试样进行了对称拉疲劳试验，应用复型方法观察了疲劳理解纹沿缺口根部的早期形成与扩展过程；测量了表面裂纹形状随裂纹长度的变化规律。结果表明，试样的破坏是由形成于缺口根部表面的短裂纹扩展、裂纹间连接形成穿透裂纹，穿透裂纹扩则引起的。     

V形切口尖端裂纹起裂方向的主应力判别准则及其验证

围绕V形切口尖端裂纹起裂方向,分析了V形切口尖端裂纹应力场、位移场、应力强度因子,提出了裂纹起裂方向的主应力判别准则。首先,详细给出了V形切口尖端应力应变场的求解方法,通过裂纹尖端场本征值的三次线性拟合及误差分析,确定了V形切口尖端裂纹位移场;然后,建立了V形切口尖端的数值分析模型,运用数值计算方法确定了应力强度因子和切口强度因子,提出了V形切口尖端裂纹起裂方向的主应力判断准则,给出了外推法求解分析过程;最后,以LY8为试验材料,在张角2β＝60°的V形切口情况下,对提出的V形切口尖端裂纹起裂方向计算方法与判别准则进行了试验验证。     

缺口疲劳裂纹的萌生和扩展

本文使用AI-4Zn-2.5Mg-1.5Cu高强度铝合金研究了缺口疲劳短裂纹的萌生和扩展。结果表明,缺口有效应力强度因子可以用试验方法标定,它是缺口几何形状、裂纹尺寸和材料组织特征参量的函数。试验标定的缺口有效应力强度因子可以用来定量描述缺口短裂纹的萌生和扩展。     

双频振动载荷下带V形槽铝合金棒料的断裂行为

针对金属棒料低应力分离过程中裂纹萌生扩展速率低的问题,提出一种基于双频振动的加载方法,探究带V形槽7A09铝合金棒料的断裂行为。研究了双频振动对带V形槽金属棒料裂纹萌生扩展的作用机理,通过研发双频激振装置,对带V形槽7A09铝合金棒料进行了实验研究。实验结果表明,相对于单频振动加载方法,双频振动载荷能够大幅缩短带V形槽7A09铝合金棒料的分离时间,有效提高裂纹萌生扩展的速率与稳定性,棒料断面几何精度高。     

压电介质中裂纹与邻近微孔洞的交互作用

基于线性压电理论，文中对裂纹和微孔洞的交互作用进行有限元计算分析。结果表明，(1)电场对裂纹启裂起促进还是抑止作用，与外加电场方向和裂纹面电学边界条件密切相关。(2)电-力载荷比、电学边界条件和微孔洞裂纹之间的韧带长度对裂纹前缘应力场均有一定影响，但无论对于何种裂纹电学边界条件(可导或绝缘)，裂纹前端的微孔洞只有在韧带长度小于2倍微孔洞直径时，才对裂纹前缘应力场有明显的影响。(3)在一定的电-力加载比和一定的韧带长度范围内，微孔洞对裂纹的启裂有屏蔽作用，且微孔洞对导通裂纹的屏蔽作用比绝缘裂纹要明显得多。此外，文中还给出韧带上张开应力的分布。     

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。     

基于CT扫描的2A12铝合金疲劳裂纹三维重建方法研究

对中心处含圆形缺口的2A12铝合金圆柱形试样进行复杂应力状态下的低周疲劳试验,总结出材料裂纹萌生及扩展机制。试验结果表明,复杂应力条件下2A12铝合金材料只有在疲劳循环较大时,由于第二相粒子与基体脱粘形成疲劳短裂纹。裂纹扩展过程中,沿着晶粒某一滑移系统滑动并且形成锯齿形状的晶体学裂纹路径。为了获得准确的裂纹三维形态及尺寸信息,采用计算机断层扫描(Computed tomography, CT)技术对试验件进行扫描,并对其断层图像进行对比度增强、离群滤噪等图像处理。从图像处理效果来看,离群滤噪方法对于试件结构较为简单,而内部裂纹信息分布相对连续的断层图像处理效果较为理想,且可通过调整其滤噪半径来获得更为清晰的裂纹图像。采用Matlab软件对处理后的断层图像进行三维重建,获得了裂纹的三维可视化图像及其尺寸信息,与裂纹实际情况吻合良好。