一种悬臂弯曲加载表面裂纹扩展试样及其应用

介绍了一种带有上下对称圆弧的板状试样,试样上圆弧几何中心预制有半椭圆表面裂纹,这种设计能够较好地模拟压力容器具有表面裂纹时的特点.利用这种试样,可以完成悬臂弯曲加载恒总应变控制下的低周疲劳表面裂纹扩展速率试验,获得表面裂纹扩展长度和深度的关系,最终建立表面和深度裂纹扩展速率与总应变的函数关系.据此,可为含有表面裂纹体的压力容器低周疲劳剩余使用寿命评估提供依据.     

高温下直流电位法测量裂纹长度的应用

介绍了用直流电位法测量疲劳裂纹长度方法的基本原理、实现方法及所需配置的仪器,并对有关影响因素作了分析。该测量系统主要用于高温下的各种材料在恒幅载荷下的疲劳裂纹扩展和门槛值试验中的疲劳裂纹长度的测量,可提高测量疲劳裂纹长度的自动化水平。     

金属热疲劳a-N曲线测定方法的研究

提出了在金属的热疲劳试验中,用测试样表面裂纹代替测断口裂纹,用“单组试样法”代替“多组试样法”来测定a-N曲线;通过同一循环次数时试样在不同表面粗糙度条件下的实际观测和所测裂纹长度的比较,确定出测量表面裂纹长度所必须达到的粗糙度指标;给出了用“单组试样法”测定a-N曲线的具体操作方法;分析了金属热疲劳裂纹扩展的一般规律并提出了拟合a-N曲线的方法。     

基于直流电位法的疲劳裂纹长度测量的技术及应用

航空发动机设计用材料的疲劳裂纹扩展速率测量是其性能测试的重要环节,而金属材料在600℃以上温度时合金表面由于氧化或者高温热辐射,无法使用基于光学原理的测量方法测量裂纹长度,所以需要使用自动测量方法——直流电位法。在室温条下使用铝合金对电位法系统进行测试,通过直流电位法与目测法测量的裂纹长度进行对比,发现使用参考试样测量的裂纹长度测量要好于没有使用参考试样的测量结果,说明参考试样可以很好地消除温度波动对测量结果的影响;同时在高温实验中,使用勾线法标定电位法测量的裂纹长度数据。结果表明,电位法测量的裂纹长度与勾线法测量平均裂纹长度之间的平均相对误差为1.79%,说明在高温实验环境下,试样出现表面氧化,可以使用直流电位法进行裂纹长度的测量。应用电位法技术完成650～800℃实验环境下,获得钛合金材料负应力比疲劳裂纹扩展试验数据。     

基于比例型Paris公式和逆高斯过程的金属疲劳裂纹扩展随机模型

疲劳失效是金属构件的主要失效方式之一,该文针对金属疲劳裂纹扩展过程中的不确定性,以“首次达到给定裂纹长度a的时间t(a)”为随机描述量,采用比例型Paris公式描述裂纹的平均扩展路径,建立基于逆高斯过程的单样本疲劳裂纹扩展随机模型和考虑样本异质性的裂纹扩展随机效应模型,分别采用最大似然估计法(MLE)和最大期望算法(EM)推导了单样本模型和随机效应模型的参数估计公式。最后,利用提出的裂纹扩展随机模型拟合了68个铝合金板的疲劳裂纹数据,对结果进行了拟合优度分析。结果表明:该文提出的疲劳裂纹扩展随机模型能够有效地分析和解释金属疲劳裂纹扩展过程中的不确定性。     

受压弯作用构件半椭圆表面裂纹的疲劳扩展分析

本文给出了半椭圆表面裂纹疲劳扩展的一种有限元仿真分析方法,并对潜艇锥柱结合壳焊趾处压弯联合交变载荷作用下的裂纹扩展进行了计算分析。该方法利用有限元分析计算裂纹前沿应力强度因子,采用Paris公式预测裂纹扩展速率及扩展量,对有限元网格随着裂纹的扩展进行自动重构,从而模拟分析裂纹的疲劳扩展过程。考察了两种初始尺寸半椭圆表面裂纹的情况,计算了裂纹尺寸、应力强度因子随裂纹扩展的变化历程。仿真计算结果表明,初始裂纹尺寸对于疲劳扩展的影响主要体现在初、中期的扩展上,对后期的扩展速率、裂纹形态影响不大;当考虑了焊接区应力集中效应后,扩展的速度提高,总的疲劳扩展寿命下降。本文方法和程序可用于其他较复杂构件表面裂纹的扩展分析。     

镍基合金超声疲劳裂纹扩展寿命预测研究

针对发动机结构材料承受高频循环载荷的特点,应用超声疲劳试验技术开展了镍基合金材料的疲劳裂纹扩展试验研究。考虑高频载荷下疲劳裂纹扩展过程中的温升效应,测试了超声疲劳裂纹扩展过程中的温度变化,基于温度变化对材料弹性模量的影响和热膨胀效应,数值计算了疲劳裂纹扩展应力强度因子。研究了温度变化对超声疲劳裂纹扩展的影响机制,并在现有模型基础上,建立了考虑温度影响的超声疲劳裂纹扩展模型,完善疲劳裂纹扩展寿命预测方法。     

考虑结构裂纹扩展的振动疲劳寿命计算方法

工程实践中任何结构都存在不同程度的裂纹损伤,振动激励下动响应与疲劳裂纹扩展之间互相耦合,直接影响结构振动疲劳寿命.为了考虑结构振动疲劳耦合效应对疲劳寿命的影响,提出了一种考虑结构裂纹扩展的振动疲劳寿命计算方法.分析时,通过建立若干个含不同长度裂纹的结构有限元模型模拟结构裂纹扩展,采用Paris方程分段计算结构振动疲劳裂纹扩展寿命,通过试验确定的固有频率降变化规律反推结构裂纹萌生寿命,最后累计得到结构疲劳总寿命.结论表明,仿真计算结果与试验结果比较吻合.     

多冲疲劳裂纹萌生期的测定和应力场强度因子KI的计算

冲击疲劳裂纹长度ａ和冲击周次Ｎ的关系可表示为：Ｎ＝ＮＡ－Ｃ’（Ｗ－ａ）＾ｎ１。由此式可精确计算出裂纹萌生寿命Ｎｏ和裂纹扩展速度ｄａ／ｄＮ。     

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。     

4.5Ni钢表面裂纹的低周疲劳扩展行为研究

采用悬臂弯曲加载方式，以总应变范围作为受检和控制参数，分析了高强度４．５Ｎｉ钢表面裂纹的低周疲劳扩展行为，给出了裂纹扩展速率ｄ（２ａ）／ｄＮ与总应变范围ΔεＴ的关系式及关系曲线。同时对弯曲加载条件下低周疲劳损伤断口微观形貌进行了观察分析。指出４．５Ｎｉ钢的低周疲劳裂纹扩展方式主要是穿晶，疲劳辉纹为晶体学延性辉纹，疲劳裂纹扩展属于塑性钝化模型机制。     

疲劳裂纹扩展速率试验中裂纹曲率修正方法研究

针对目前疲劳裂纹扩展速率试验标准中仅提出裂纹长度需进行曲率修正但未给出具体修正方法及步骤的问题,作者推荐了线性插值法和等比例法两种裂纹曲率修正方法,并通过分析两种方法的修正原理,结合试验结果,将两种曲率修正方法进行对比。结果表明,在双对数坐标系上,修正后的da/dN-ΔK曲线向低ΔK方向偏移,最大偏移量约15%,在利用da/dN-ΔK曲线进行选材对比或疲劳寿命评估时,修正后的曲线与未修正的曲线相比是偏安全的。基于两种方法修正后的da/dN-ΔK曲线之间差异较小,最大相差约2%,两种方法均可作为疲劳裂纹扩展速率试验中裂纹长度的曲率修正方法。     

10Ni5CrMoV钢双轴弯曲应力下表面裂纹疲劳扩展特性研究

以10Ni5CrMoV钢为研究对象,在加载条件与构件使用环境相近条件下,在原板厚大尺寸试样表面引入人工缺口模拟实际构件中存在的类表面裂纹缺陷,采用双轴弯曲疲劳试验方法,开展原板厚大尺寸试样双轴弯曲应力下的表面裂纹疲劳扩展特性试验研究。结果表明,裂纹半长c和裂纹深度a都随循环次数N单调递增,且曲线a-N满足一定的线性关系。建立表面裂纹半长c与深度a之间的定量关系式预测模型,从而定量解决裂纹深度尺寸不好直接测量的难题。     

基于损伤力学的疲劳裂纹萌生及扩展规律研究

针对金属构件疲劳裂纹的萌生、扩展寿命及其规律等问题,应用损伤力学理论与有限元相结合的方法,建立了计算疲劳裂纹全寿命的统一模型。引入附加载荷法,通过MATLAB编程计算,实现了对刚度矩阵的连续计算,并给出了编程的流程。通过对单个单元的损伤计算,得到了单元从无损到破坏过程中等效应力的变化;通过计算各个构件损伤单元寿命,进而给出了金属构件总体疲劳寿命。分析得到了微裂纹萌生及扩展寿命占总体疲劳寿命的80%以上,并应用有限元软件ANSYS模拟给出了缺口件裂纹萌生及扩展过程。理论计算的结果与试验数据对比基本一致,验证了本工作方法的准确性。     

A Statistical Model of Quantitative Relationship between Striation Spacings and Fatigue Crack Growth Rates

Fatigue crack growth experiments were per-formed on A1 alloy LD 10 and Ti-6A1-4V alloy.Fatigue striation spacings and the deviationangles between the direction of micro-crackgrowth and that of macro-crack growth were quanti-tatively measured on fracture surface usingscanning electron microscope. A statistical model of the relationshipbetween striation spacings and fatigue crackpropagation rates was developed on the basisof a statistical analysis of the deviation angles,Good agreement between experimental resultsand theoretical results calculated with thepresent model was obtained.     

曲轴弯曲疲劳试验裂纹研究与失效判定

通过对疲劳裂纹的产生、扩展机理研究和试验,结合疲劳试验数据分析了疲劳裂纹扩展与疲劳寿命的关系。试验结果及分析表明,大量经圆角滚压强化的球墨铸铁曲轴,疲劳试验运行107次在连杆颈与曲柄臂过度圆角产生微裂纹,该裂纹属于非扩展裂纹,继续试验时裂纹不扩展,试样在该载荷下具有无限疲劳寿命。     

中碳合金钢双相组织疲劳裂纹扩展的研究

研究了４２ＣｒＭｏ钢亚温淬火及二次淬火两种双相组织的疲劳裂纹扩展行为。结果表明，亚温淬火双相组织可显著提高裂纹萌发生抗力，降低扩展速率；较高的疲劳性能与裂纹尖端闭合应力，断口表面粗糙度以及裂纹扩展路径弯折程度有关。断裂力学分析表明，粗糙度诱发裂纹闭合效应及裂纹路径变折效应是提高裂纹扩展抗力的主要因素，同时得到上述两种效应对裂纹扩展速率影响的表达式。     

考虑裂纹表面摩擦阻尼的振动疲劳裂纹扩展分析

以含表面裂纹悬臂梁为研究对象,研究了裂纹面摩擦效应对裂纹疲劳扩展的影响。分析时,用双线性弹簧描述裂纹呼吸行为,用Galerkin方法把呼吸裂纹梁简化为单自由度系统,基于Coulomb摩擦模型和能量耗散理论推导了摩擦阻尼损耗因子,运用广义的Forman方程模拟疲劳裂纹扩展,通过振动分析与裂纹扩展计算同步进行的方法考虑振动与疲劳的耦合效应,探讨了摩擦阻尼对裂纹梁疲劳裂纹扩展寿命的影响。结论表明,摩擦阻尼损耗因子随裂纹扩展呈单调递增趋势,摩擦阻尼对振动疲劳裂纹扩展的影响不容忽视     

Analysis of fatigue crack behaviour based on dynamic response simulations and experiments for tensile-shear spot-welded joints

Fatigue crack initiation and propagation behaviours were studied based on the dynamic response simulation by the three‐dimensional finite‐element analysis (FEA) and dynamic response experiments for tensile‐shear spot‐welded joints. The entire fatigue propagation behaviour from the surface elliptical cracks at the initiation stage to the through thickness cracks at the final stage was taken into consideration during the three‐dimensional FEA dynamic response simulations. The results of the simulations and experiments found that the fatigue cracks of spot‐welded joint from initial detectable crack sizes to crack propagation behaviour could be described by three stages. Approximately one‐half of the total fatigue life was taken in stage I, which includes micro‐crack nucleation and the small crack growth process; 20% of the total fatigue life in stage II, in which the existing surface crack propagates through the thickness of sheet and 30% of the total fatigue life in stage III, during which the through thickness crack propagates along the direction of plate width to the final failure. According to the relationship between the crack length and depth and the dynamic response frequency during the simulated fatigue damage process, the definition of fatigue crack initiation and propagation stages was proposed. The analysis will provide some information for the fatigue life prediction of the spot‐welded structures.     

Some Peculiarities of Fatigue Crack Growth at Various Stages of Its Development

The author considers some peculiarities of fatigue crack growth in metals at the stages of its initiation and initial development, and stable and unstable growth that precedes final fracture. It is shown that at the stage of initial growth of fatigue cracks, the stress state, nonlocalized fatigue damage that precedes initiation of the main fatigue crack, residual surface stresses, surface manufacturing and in-service defects, and contact interactions are the factors that determine the crack paths. Stable growth of a fatigue crack is primarily determined by the stress-strain state of a structure as a whole and by the stress-strain state at the crack tip with allowance for its variation due to crack propagation, which is evaluated by the criteria of fracture mechanics. The author also studied peculiarities of fatigue crack development in compressor blades of marine gas turbines. It is shown that for embrittled steels, when fatigue cracks develop under plane strain conditions, final fracture occurs at very small crack sizes. In this case, the characteristics of fatigue fracture toughness are appreciably lower than the static values. The paper also considers peculiarities of unstable fatigue crack propagation.