不同碳含量的CrNiMo钢疲劳裂纹扩展特性

三种不同碳含量的ＣｒＮｉＭｏ 钢的疲劳扩展试验结果表明,随着钢中碳含量升高,裂纹扩展速率升高。回归分析表明,ＣｒＮｉＭｏ 钢的疲劳裂纹扩展速率符合以下公式：ｄａ／ｄｎ＝ Ｂ（ｄｋ－ ｄｋｔｈ ）２ ,其中疲劳裂纹扩展系数Ｂ值可以由材料拉伸性能估算。该式的有效性还以不同应力比下的疲劳裂纹扩展数据进行了验证。     

预测疲劳裂纹扩展的多种理论模型研究

大多数工程断裂是因疲劳而引起的,所以金属材料的低周疲劳和裂纹扩展速率性能一直受到安全设计部门的关注。长久以来,国内外学者在建立金属材料低周疲劳行为和裂纹扩展速率性能之间的关系方面进行了多材料和多角度的研究。基于平面应力裂纹尖端小范围屈服应力应变场和疲劳裂纹扩展失效准则,提出用于I型疲劳裂纹扩展速率的预测模型。针对国内外相关工作的研究,基于平面应力裂纹尖端小范围屈服应力应变场和疲劳裂纹尖端循环塑性区内的应变能失效准则,提出一个可用于I型疲劳裂纹扩展速率的预测模型。借助已发表的15种金属材料对应的低周疲劳和裂纹扩展速率性能数据,详细分析和比较所提出的预测模型与其他6种预测模型的预测规律和结果。研究表明,所提出的预测模型能够预测更广泛的金属材料疲劳裂纹扩展速率,并且较其他6中预测模型更符合安全设计的理念。     

20CrMnTi齿轮钢疲劳裂纹扩展试验与数值模拟研究

为了研究20CrMnTi齿轮钢的疲劳裂纹扩展问题,首先,将材料20CrMnTi制成紧凑拉伸试样,在疲劳拉伸试验机上进行载荷比R=0.3的疲劳裂纹扩展试验;然后,应用数值模拟软件Abaqus对疲劳裂纹扩展过程进行数值模拟.结果表明,数值模拟结果和试验结果具有相同的变化趋势,二者的差别在误差允许范围内;数值模拟方法能够很好地描述紧凑拉伸试样疲劳裂纹扩展过程.为20CrMnTi齿轮钢疲劳裂纹扩展过程及疲劳寿命的研究提供了一种有效的试验和模拟分析方法.     

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。     

疲劳短裂纹形成和扩展的划分定义探讨

根据对疲劳短裂纹生长行为的分析,将疲劳短裂纹形成和扩展过程划分为微观结构显著影响阶段和稳定生长阶段。综合考虑力学和材料两方面因素,给出了如下划分定义：疲劳短裂纹形成阶段为微观结构显著影响阶段;疲劳短裂纹扩展阶段为稳定生长阶段。通过有关文献分析并结合本试验观察,确定了疲劳短裂纹形成和扩展划分的临界裂纹长度为平均晶粒尺寸的５倍。     

TC4ELI钛合金疲劳裂纹路径偏折与寿命提升机制

作为深海载人装备结构的优选材料，TC4ELI(Extra-low-interstitial低间隙元素)钛合金的抗疲劳裂纹扩展性能至关重要。对TC4ELI的疲劳裂纹扩展行为进行系统测试与原位观测，同时选取传统TC4钛合金进行对比试验。结果显示，与TC4相比，TC4ELI具有更高的疲劳裂纹扩展寿命；同时，原位观察发现，TC4ELI的疲劳裂纹扩展存在明显偏折现象，导致裂纹路径比TC4更为曲折。进一步，综合利用微观表征手段对TC4ELI疲劳断口、材料组份、裂纹路径区域微结构进行系统的分析。在此基础上，利用有限元模拟计算裂纹扩展驱动力随偏折角度的变化规律，并分析裂纹偏折对TC4ELI疲劳扩展寿命的影响机理。研究对TC4ELI深海装备结构的损伤容限设计提供了参考。     

预拉伸变形后X60管线钢疲劳裂纹扩展特性

用单边裂纹试样，研究了X60管线钢经预拉伸变形量为5％、10％和15％后的疲劳裂纹扩展特性。结果表明：随着预拉伸变形量的增加，疲劳裂纹扩展速率提高，尤其是在裂纹扩展的近门槛区。定量分析表明：预拉伸变形降低了疲劳裂纹扩展门槛值，提高了裂纹扩展系数，从而使管线在机械损伤的部位疲劳抗力降低。     

不同应力比下ADB610钢疲劳裂纹扩展速率的试验研究

采用标准紧凑拉伸试样进行五级应力比(R=0.1、0.2、0.3、0.4和0.5)的疲劳裂纹扩展速率试验,使用递增多项式法对试验数据进行处理,得到不同应力比下的裂纹扩展速率曲线及表达式。定量分析了应力比对裂纹扩展速率和Paris公式中两个重要参数的影响,并对五级应力比下的疲劳断口进行了分析,探讨了应力比对裂纹扩展速率的影响机理。     

TC21钛合金的疲劳裂纹扩展研究

建立了新型损伤容限性钛合金TC21的疲劳裂纹扩展模型;研究了疲劳裂纹扩展速率da／dN与疲劳裂纹扩展门槛值之间的关系。该模型预测了TC21钛合金的疲劳裂纹扩展速率,其预测结果与实验结果非常吻合。     

PD3和U71Mn钢轨钢疲劳裂纹扩展速率研究

利用MTS试验机, 在常温下对两种钢轨PD3和U71Mn进行疲劳裂纹扩展速率试验研究,根据Paris公式确定两种钢轨的疲劳裂纹扩展速率,利用极大似然估计法计算带有一个随机变量描述的疲劳裂纹扩展速率的概率方程.结果表明,裂纹扩展速率曲线符合一般疲劳裂纹扩展规律;PD3的强度性能优于U71Mn,但U71Mn表现出更好的抗疲劳裂纹扩展性能,扩展速率低于PD3钢轨;疲劳裂纹扩展速率的不确定性方程与试验结果相符.     

690MPa级低合金高强钢熔敷金属冲击断裂行为研究

冲击试验是衡量金属材料韧性的最有效手段之一。对690 MPa级低合金高强钢熔敷金属进行–50℃示波冲击,分析焊接层间温度在80℃和200℃时试样的冲击性能。应用光学显微镜、扫描电子显微镜、电子背散射衍射等分析手段并采用Lepera腐蚀法,对近断口区的组织、M-A组元及夹杂物进行观察,研究冲击过程中裂纹的形核和扩展规律。结果表明:层温对熔敷金属冲击吸收功影响显著,层温80℃和200℃时,所选冲击试样裂纹形成功和扩展功分别相差6.7 J和34.0 J。进一步研究表明,两种层温下,近断口区组织主要由板条状贝氏体和粒状贝氏体组成。层温80℃时,组织主要以板条状贝氏体为主,粒状贝氏体少量分布,M-A组元以少量的颗粒状存在;层温200℃时,粒状贝氏体数量增多,M-A组元的形态以条状和块状居多,数量增加;M-A组元这种形态和数量上的变化是导致两种层温下启裂功不同的主要原因。而熔敷金属中大角度晶界数量的不同,是造成两种层温下裂纹扩展功不同的主要因素。     

Numerical Investigation into the Effect of Contact Geometry on Fretting Fatigue Crack Propagation Lifetime

Fretting fatigue is a phenomenon in which two contact surfaces undergo a small relative oscillatory motion due to cyclic loading. There is a need to analyze the effects of contact geometry on crack propagation under fretting fatigue conditions. In this investigation, a finite element modeling method was used to study the effects of different contact geometries along with crack–contact interaction on crack propagation lifetime. Different contacts geometries—that is, cylindrical on flat and flat on flat—along with different contact span widths were analyzed. In addition, the effects of different contact spans on stress distribution at the contact interface were investigated. The computed crack propagation life was compared with experimental results. It was found that the crack initiated near the contact trailing edge for all contact geometries, which agreed with experimental observations. In terms of crack propagation for different contact spans, the fretting fatigue life for a two-based cylindrical pad was shorter than that for a two-based flat pad. By increasing the contact span width for both flat and cylindrical pads, the crack propagation lifetime increased. A comparison between the experimental and numerical results demonstrated a difference of about 18% in crack propagation lifetime.     

室温和650 ℃下晶粒尺寸对GH4169合金疲劳小裂纹萌生和扩展行为的影响

在室温和650 ℃条件下,研究晶粒尺寸对GH4169合金疲劳小裂纹萌生机理和扩展行为的影响。通过在960 ℃、 1 010 ℃、1 020 ℃、1 050 ℃条件下,各保温1 h来改变试样晶粒尺寸。通过光学显微镜来观察不同热处理后的微观组织。利用覆膜法监测小裂纹扩展过程。结果表明,两种温度下疲劳小裂纹萌生机理和扩展模式在细晶组织和粗晶组织间均会发生转变。室温和650 ℃条件下,裂纹扩展速率在小裂纹阶段近似恒定。室温下,平均晶粒尺寸变化对小裂纹扩展速率几乎没有影响。650 ℃下,随着平均晶粒尺寸增加,小裂纹扩展速率增大。无论哪种温度下,一旦表面裂纹长度达到一定临界尺寸,小裂纹会加速扩展,进入长裂纹阶段。室温下不同平均晶粒尺寸试样临界裂纹长度基本相同,650 ℃下随着平均晶粒尺寸增加临界裂纹长度增加。     

X80管线钢裂纹尖端张开角的试验研究

高压富气输送管道要求发展管道钢的裂纹尖端张开角（CTOA）的测试方法。采用准静态的撕裂过程和长裂纹扩展长度试件,进行了X80管道钢的裂纹扩展试验,用摄像机跟踪拍摄裂纹扩展全过程,从照片上直接测量出裂纹扩展全过程的CTOA值,分析了裂纹扩展中的断裂力学行为。结果表明：试件的韧带厚度越小,越容易获得稳定的扩展过程,且稳态裂纹扩展的CTOA值随试件韧带厚度的增加而增大,韧带太厚的试件不易得到稳态扩展过程。韧带厚度为4,8 mm试件的稳态的裂纹扩展阶段分别为7.8°1,2.8°,裂纹扩展长度与韧带厚度比在5～252,～10之间。     

不同应力比下U75V轨道钢疲劳裂纹扩展行为研究

对高速铁路常用轨道钢U75V进行了不同应力比下的疲劳裂纹扩展门槛值测试和疲劳裂纹扩展试验。试验结果表明,应力比对U75V轨道钢的裂纹扩展行为有着显著影响。利用分级降载法测得的疲劳裂纹扩展门槛值随应力比的增大而减小,裂纹扩展速率随应力比的增大而增大。对裂纹断口微观形貌进行了细致观察分析,发现整个疲劳断口分布有凸条纹棱线。疲劳门槛值附近出现沿晶体学平面的穿晶小刻面;低扩展速率区凸条纹棱线平行排列,棱线方向与珠光体片层方向一致;高扩展速率区的棱线出现弯曲及碎裂,同时伴有解理断面及二次裂纹。     

考虑残余应力的螺旋锥齿轮接触疲劳裂纹萌生-扩展寿命计算方法研究

考虑渗碳、磨齿、喷丸等工艺产生的齿面残余应力,建立齿面接触应力与残余应力的复合应力场,提出一种螺旋锥齿轮接触疲劳裂纹萌生-扩展寿命计算方法。构建齿轮有限元接触分析模型,计算多轴交变接触应力场。考虑空间螺旋曲面残余应力分布的复杂性,将变曲率齿面离散为网状节点;测量各节点表面与次表面的残余应力,建立齿面残余应力场。基于Dang Van多轴疲劳准则,构建齿面裂纹萌生模型;计及残余应力与裂纹闭合效应,构建齿面裂纹扩展模型。计算复合应力场下齿轮接触疲劳寿命,研究残余应力对齿面裂纹萌生-扩展寿命的影响规律。结果发现：复杂齿面空间变曲率会影响喷丸等工艺产生的残余应力分布,中心区域的残余压应力高出齿面边缘区域约20%;复合应力场下齿面裂纹萌生位置与寿命主要取决于接触应力,残余应力会改变齿面节点平均应力进而影响疲劳寿命;齿面裂纹扩展寿命约占全寿命的10%,表征齿轮接触疲劳快速失效至迅速断裂。上述研究对于高性能齿轮传动的长寿命、高可靠性设计具有一定的参考价值。     

组织特征对粉末高温合金FGH96疲劳裂纹扩展速率的影响

通过对不同热处理后获得3种典型显微组织的粉末高温合金FGH96合金试样在650 进行保载90 s和5 s并恒载荷循环应力作用下的疲劳试验,研究组织特征对疲劳裂纹扩展速率的影响规律,确定不同载荷条件下孕育期、萌生期、扩展期及瞬断期所占的比率。结果表明,γ相特征显著影响疲劳裂纹扩展速率;疲劳行为对保载时间存在敏感性,随保载时间的延长,在疲劳-蠕变的交互作用下会明显加快合金疲劳裂纹扩展;在整个疲劳破坏过程中,萌生比率均高于扩展比率,说明该合金抗裂纹萌生的能力要高于抗裂纹扩展的能力;此外,该合金疲劳裂纹扩展四个阶段在整个断裂周次所占的比率分配上,孕育期比率一般较小,萌生期和扩展期比率较大,瞬断期的比率很小,表明该合金裂纹扩展一旦失稳将高速扩展并迅速断裂。     

In-process estimation of fracture surface morphology during wheel scribing of a glass sheet by high-speed photoelastic observation

Defect-free glass separation techniques are in strong demand in glass processing industries. In this study, we intended to observe the internal stress field during/after wheel scribing of a glass sheet using the photoelastic method. First, we visualized the crack propagation behavior in a 0.7-mm-thick non-alkali glass sheet during mechanical scribing with a 2.0-mm-diameter serrated diamond wheel using high-speed imaging techniques. The observation results under various applied load conditions showed that the crack propagation behavior changed dramatically at a load of approximately 9–10 N; the generated crack hardly propagated in the thickness direction under lower load conditions, in contrast to the rapid propagation under higher load conditions. The fracture surface morphology that was observed after cleavage also changed, from damaged to defect-free surfaces with increments in the applied load around the transition point (9–10 N). This result indicated that the fracture surface morphology was determined by the crack propagation behavior. Second, the birefringence phase difference was measured from the upper side of the glass sheet to enable understanding of the stress fields induced by scribing wheel indentations. As a result, the phase differences that were distributed along the scribe line were shown to differ depending on the applied loads; the phase difference changed little under lower load conditions, but vanished immediately under higher load conditions. Therefore, these differences were dependent on whether or not rapid crack propagation occurred. The measured phase difference distribution thus included information about the crack propagation behavior, and this information could be used as a criterion for estimation of the fracture surface morphology. An in-process estimation method for the fracture surface morphology during mechanical wheel scribing was therefore developed based on high-speed polarization imaging techniques.     

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.     

高强度结构钢腐蚀疲劳裂纹扩展机制图

本文研究了20SiMn2MoV高强度结构钢在蒸馏水和盐水中的腐蚀疲劳和应力腐蚀开裂行为。试验结果表明,应力比R对da/Dn-ΔK曲线及断裂机制类型有显著影响。提出了能够描述R影响的以ΔK和Km（Km=1/2[Kmax＋Kmax]）为坐标轴的腐蚀疲劳裂纹扩展机制图,并讨论了断裂机制转变的条件。