钛合金结构疲劳全寿命计算方法研究

依照钛合金裂纹萌生和小裂纹扩展寿命较长的特点,结合目前的检测水平,将钛合金疲劳全寿命分为3个阶段,裂纹由0 mm～0.3 mm为裂纹萌生寿命,0.3 mm～2 mm为小裂纹扩展寿命,2 mm～aC为长裂纹扩展寿命。各阶段因为破坏机理的不同而采用不同的寿命预测方法,从而提高疲劳全寿命预测的准确性。超低间隙钛合金TC4ELI和TA15ELI等幅和谱载荷下疲劳全寿命试验和预测结果表明,裂纹萌生寿命在全寿命中所占比例最大,预测误差最大;长裂纹扩展寿命所占比例最小,预测精度最高;小裂纹扩展寿命所占比例稍大于长裂纹,预测误差大于长裂纹。等幅载荷和谱载荷下全寿命预测误差均符合工程结构疲劳寿命预测的精度要求。     

基于损伤力学的某飞机构件冲击疲劳寿命预估

某飞机起落系统中某重要构件在飞机往复起落中承受循环冲击载荷作用,需对该构件的冲击疲劳强度进行分析。损伤力学方法对冲击疲劳问题来说是一种新的分析方法。首先分析构件在静载荷作用下的细节应力,判明疲劳危险点,接着分析得到危险点在冲击载荷作用下的应力响应。然后构建冲击型损伤演化方程,并识别其中的材质参数,提出将应力响应视为载荷谱的应力应变场—损伤场解耦处理方式,发展了损伤力学—有限元法,使其可用于预估构件冲击疲劳裂纹萌生寿命。而后应用该方法对构件在冲击疲劳载荷与非冲击疲劳载荷作用下的疲劳裂纹萌生寿命进行预估,得到寿命预估结果,进而比较得到冲击疲劳载荷作用下和非冲击疲劳载荷作用下构件寿命的当量关系,为该构件的等效疲劳试验提供重要参考依据。     

GH4169高温合金裂纹萌生数值模拟

为研究金属材料微观组织特征对其疲劳寿命的影响,基于Tanaka-Mura裂纹萌生寿命预测模型对高温合金GH4169的疲劳裂纹萌生过程进行数值模拟.利用Voronoi图法生成具有代表性的微观组织模型,并考虑晶粒内相互平行的多滑移特性建立微裂纹萌生模型,模拟GH4169在循环载荷作用下的裂纹萌生过程.将裂纹萌生寿命的模拟结果与GH4169疲劳试验数据相比较,说明了Tanaka-Mura裂纹萌生寿命预测模型的有效性.     

钢丝微动疲劳裂纹萌生寿命预测研究*

钢丝微动疲劳过程中,钢丝裂纹萌生特性直接影响其裂纹扩展特性,进而制约钢丝微动疲劳寿命,因此开展钢丝微动疲劳裂纹萌生寿命预测研究具有重要意义。基于有限元法、摩擦学理论和断裂力学理论,运用Smith-Watson-Topper（SWT）多轴疲劳寿命准则建立考虑磨损的钢丝微动疲劳裂纹萌生寿命预测模型,基于多种不同的钢丝疲劳参数估算方法对钢丝的微动疲劳裂纹萌生寿命进行了预测,并探究接触载荷、疲劳载荷、交叉角度及钢丝直径等微动疲劳参数对钢丝微动疲劳裂纹萌生寿命的影响规律。结果表明：基于中值法的预测结果最接近实际值;在微动疲劳过程中,钢丝微动疲劳裂纹萌生寿命主要与接触载荷和疲劳载荷相关。通过引入微动损伤参数建立简化的适用于钢丝绳的钢丝微动疲劳裂纹萌生寿命预测模型,通过与考虑磨损的预测模型计算结果进行对比验证了该模型的准确性。     

双频复合疲劳的裂纹萌生及扩展

针对典型承受高、低周双频复合载荷的水轮机叶片、电机转子用钢进行了低周疲劳、高低周双频复合疲劳的裂纹萌生及扩展规律的探讨。在频率比确定的条件下,载荷比是影响双频疲劳裂纹萌生及扩展的一个重要因素。随着载荷比的升高,疲劳裂纹萌生寿命大大缩短,裂纹扩展速率加快,疲劳断口呈现明显的周期特征。高、低周双频复合疲劳载荷各自的独特作用以及高、低周载荷在裂纹尖端引起的塑性区的交互作用是造成疲劳断口独特形貌的主要原因。     

高强韧中锰钢CO2气体保护焊接头的疲劳性能

采用CO₂气体保护焊对30 mm厚高强韧中锰钢板进行对焊试验,通过圆棒拉压疲劳试验获得中锰钢焊接接头的应力幅-寿命曲线,测定了其高周疲劳极限并观察其断口形貌。结果表明：在应力比为-1、循环次数为10⁷周次条件下,中锰钢焊接接头的高周疲劳极限为353 MPa;当中锰钢焊接接头焊缝中存在明显的焊接缺陷时,疲劳裂纹萌生于微观缺陷处,而当焊缝中无焊接缺陷时,疲劳裂纹萌生于试样表面熔合线位置,疲劳裂纹扩展区表面粗糙,存在着明显的二次裂纹,瞬断区表面存在大量均匀细小的韧窝。     

基于裂纹萌生期限的典型零件剩余寿命预测

将有限元分析方法与疲劳寿命预测相结合,以曲轴为对象,对循环载荷导致的疲劳断裂进行了研究。以实际裂纹检测精度定义的疲劳裂纹萌生极限尺寸为计算标准,通过ABAQUS有限元分析计算整体应力应变,采用子结构分析由名义载荷得出的局部最大名义应力载荷谱,结合Ohij疲劳寿命法则准确计算出裂纹萌生期限,实现了基于裂纹萌生的剩余寿命预测。     

旋翼扭力臂孔多轴疲劳准则及挤压强化效果评估

扭力臂组件是直升机旋翼系统中的重要部件之一,在飞行过程中,其承受着复杂高频振动及交变载荷,所以紧固孔连接处易发生疲劳破坏。为了改善扭力臂孔的疲劳性能,通过三维非线性接触有限元对扭力臂进行力学行为分析。基于Smith-Waston-Topper(SWT)准则,对扭力臂孔的裂纹萌生位置及疲劳寿命进行预测,并分析孔挤压工艺对扭力臂孔疲劳寿命的影响。结果表明:SWT损伤准则可以成功预测疲劳裂纹萌生位置和寿命;扭力臂孔的疲劳破坏属于I型破坏,且裂纹萌生处有三维裂纹源;随着挤压量的增加,扭力臂孔的疲劳寿命基本呈现出增大的趋势,最后趋于稳定;把扭力臂孔破坏点位置作为挤出端,寿命提升效果最好;孔面残余压应力有益于延长疲劳裂纹萌生寿命。挤压强化多轴疲劳预测方法可以为扭力臂寿命预测和优化设计提供理论依据。     

TC21钛合金电子束焊接接头超高周疲劳行为研究

采用超声疲劳试验方法(20 k Hz),研究TC21钛合金电子束焊接接头的超高周疲劳性能与断裂机理。结果表明,TC21钛合金电子束焊接接头的疲劳性能要远低于母材的疲劳性能。在短寿命阶段,电子束焊接接头和母材的疲劳裂纹均在表面萌生;当寿命增大时,两者疲劳裂纹的萌生位置均由表面转向内部,母材的疲劳裂纹主要萌生于内部显微组织,而电子束焊接接头疲劳裂纹主要萌生于内部焊接气孔缺陷。当寿命较长时,疲劳源区会出现"鱼眼"形貌特征,源区附近有白色颗粒状细晶区,即细晶区(Fine granular area,FGA),其应力强度因子在2.90~3.33 MPa·m1/2,与疲劳寿命没有直接关系,可以认为是疲劳裂纹扩展门槛值。此外,基于AKINIWA小裂纹扩展理论,定量分析气孔尺寸与TC21焊接接头疲劳极限、疲劳应力的关系。     

随机风载下齿轮副接触疲劳裂纹萌生寿命研究

对随机风场进行了模拟,得到了正常发电工况下主轴扭矩的时间历程;建立了齿轮副的三维有限元模型,计算了在静态载荷下齿轮副的应力应变。采用随机载荷雨流计数法对齿轮载荷进行雨流计数,并对结果进行了统计学分析,得到应力均值符合三参数威布尔分布。研究了服从三参数威布尔分布的分布参数对齿轮接触疲劳裂纹萌生寿命的影响。结果表明采用随机载荷相对于采用载荷均值齿轮的接触疲劳裂纹萌生寿命疲劳寿命下降,形状参数增大齿轮接触疲劳裂纹萌生寿命增大,尺度参数和位置参数增大齿轮的接触疲劳裂纹萌生寿命减小。     

高速动车组斜齿轮的齿根裂纹萌生寿命数值计算

为分析高速动车组斜齿轮的齿根裂纹萌生寿命,采用UG建模软件建立了斜齿轮副的三维模型,并通过ABAQUS软件确定了裂纹萌生位置。基于疲劳损伤累积理论,对试验齿轮分别采用名义应力法和局部应力应变法模拟计算出裂纹萌生寿命;进行了高频疲劳试验,得到了裂纹萌生寿命,通过对比模拟结果与试验结果,确定了最佳损伤模型,计算得出了斜齿轮齿根的裂纹萌生寿命。分析了载荷、表面粗糙度、残余应力、齿顶修缘等因素对裂纹萌生寿命的影响规律。研究结果表明,载荷及表面粗糙度对裂纹萌生寿命的影响比较显著;裂纹萌生寿命随着残余压应力的增大而延长;适当的修形可延长斜齿轮裂纹萌生寿命。     

疲劳损伤钢件延寿机理及效果

在恒应变ε=±0.5%和ε=±0.8%控制下,对淬火和600℃回火的40Cr钢试样进行疲劳循环加载,求得存活率为90%时的寿命Nf,将另一组试样疲劳加载到少于Nf的不同周次,在保护介质下550℃加热2小时(称为修复退火)后,测残余疲劳寿命。当损伤主要是微观结构变化时,退火效果随损伤周次增加而提高。其原因是存在试样中的应变能在修复退火中作为附加的驱动力,促使微观组织向均匀和稳态转变,延缓了碳化物界面裂纹的形成。但当损伤促使微观裂纹形成时,退火不能使其愈合,修复效果降低,所以有一个最佳的修复退火时机。此时进行修复退火,使疲劳总寿命提高2倍。但对高周次疲劳损伤,进行修复退火不能愈合裂纹和延长寿命。对它进行中温热静等压(hotisostaticpressure,HIP)处理,可提高总寿命2.4倍。中温热静等压使试样表面硬度、残余压应力都增加,可减缓微裂纹的萌生和扩展。试样的电阻率变化能够检测微观结构疲劳损伤程度和修复效果。     

S135钻杆钢在H_2S环境中的腐蚀疲劳行为

对S135钻杆钢在空气和H_2S环境中进行了不同应力幅下的疲劳试验,得到了不同条件下的疲劳寿命,并应用回归分析方法得到了该钻杆钢在不同环境中的疲劳寿命公式,分析了其疲劳断裂机制。结果表明:在空气环境中,试验钢呈现明显的疲劳极限特征;在H_2S环境中,相同当量应力幅下试验钢的疲劳寿命比在空气环境中的低,且在很低的当量应力幅下仍会发生断裂,不存在疲劳极限;在不同环境和不同当量应力幅下,试验钢的疲劳裂纹均萌生于试样表面或靠近表面处,裂纹源区以解理断裂为主;在空气环境中,裂纹扩展区以疲劳条带为主要特征,在H_2S环境中,裂纹扩展区以解理平面和解理台阶为主要特征,在其解理平面上存在大量的二次裂纹,具有氢脆断裂的特征。     

腐蚀对新型高强度铝合金疲劳裂纹萌生机制及扩展行为的作用

根据编制的某机场环境加速试验谱,通过腐蚀试验模拟飞机服役过程中遭受的潮湿空气、盐雾、二氧化硫、酸雨和干/湿交变等严酷条件的侵蚀作用,采用飞机主承力结构新型高强度铝合金7B04-T74,制备单边缺口拉伸(Single edge notch tension, SENT)试样进行预腐蚀和疲劳试验,分析不同程度腐蚀损伤对疲劳裂纹萌生、裂纹扩展行为和疲劳寿命的影响,揭示腐蚀对裂纹萌生及扩展行为的作用机理。结果表明,在腐蚀初期,疲劳裂纹萌生源主要为单个蚀孔,裂纹扩展路径较为平直;随着腐蚀程度的加重,在多个蚀孔处同时萌生多条小疲劳裂纹,萌生疲劳裂纹的蚀孔具有隧道效应,扩展路径不规则,形成“之”字形裂纹;疲劳裂纹萌生机制是材料第二相与腐蚀损伤之间相互竞争的结果;腐蚀导致疲劳寿命显著降低,尤其是裂纹萌生寿命,腐蚀12年试验件裂纹萌生寿命仅为未腐蚀试验件裂纹萌生寿命的2.2%。     

导齿盖腐蚀疲劳裂纹分析

导齿盖材料为42CrMo中碳调质钢,零件经过渗锌热处理表面防护。该零件在海洋性气候环境下服役过程中发生腐蚀疲劳开裂,裂纹位于其侧面与上表面相交的棱边处,此处为导齿盖暴露面,裂纹源区存在腐蚀坑等较明显的腐蚀特征。采用宏微观形貌分析、能谱分析、化学成分检测、金相组织分析和力学性能分析等手段对导齿盖裂纹进行了检测分析,得出结论：导齿盖服役环境中存在S、Cl等腐蚀性元素介质,对零件的暴露面造成了腐蚀,导齿盖在使用过程中受到交变载荷作用,发生了腐蚀疲劳,超出了材料腐蚀疲劳极限,导齿盖疲劳裂纹不断扩展进而失效。     

GH4169镍基高温合金的超高周疲劳性能

在室温下使用超声疲劳试验机对GH4169镍基高温合金进行了105~108周次的疲劳试验,获得了S-N曲线并观察了疲劳断口形貌。结果表明:S-N曲线呈逐渐下降的趋势,没有出现疲劳极限,在超过107周次的循环后试样仍发生疲劳破坏;疲劳裂纹的萌生位置并未随S-N曲线的下降呈现出规律性,裂纹主要萌生于试样表面,少量萌生于试样内部;在超声疲劳载荷作用下试样同时存在塑性和脆性两种破坏方式。     

S135钻杆钢的单轴疲劳性能对比

通过疲劳试验测定了S135钻杆钢在单轴对称拉-压和扭-转加载条件下的疲劳寿命,应用回归分析方法得到了单轴疲劳寿命的定量公式,并对疲劳断裂的机制进行了分析。结果表明:在双对数坐标中,疲劳寿命与有效应力幅呈良好的直线关系;扭-转疲劳极限与拉压疲劳极限之比为0.682;拉-压加载和扭-转加载下的裂纹均萌生于试样表面;拉-压疲劳试样的裂纹扩展以疲劳条带为主要特征;扭-转疲劳试样的裂纹扩展以剪切型涟波花样为主要特征。     

干涉强化机理初论

借助于莫尔方法,对厚度3mm、干涉量31%情况下的航空用硬铝合金LY12CZ板销钉干涉配合预应力及其在35%σ02、60%σ02、68%σ02的拉伸载荷下的变化规律进行实验研究,论述了干涉强化的强化机理。干涉预应力的存在及其在载荷作用时对连接孔边应力集中程度的降低是其抑制疲劳裂纹的萌生、提高结构疲劳寿命的原因。     

15MnVN钢疲劳性能的实验研究

总结了15MnVN钢56mm厚正火板材的疲劳实验研究结果,给出了S-N曲线和疲劳裂纹起始寿命曲线的表达式以及疲劳极限和裂纹起始门槛值。研究结果表明,疲劳裂纹起始门槛值是在切口根部不造成疲劳损伤的上限当量应力幅值;拉伸超载对15MnVN钢的疲劳裂纹起始寿命没有影响。本文对上述实验研究结果的工程应用进行了讨论,并提出了在进行变幅载荷下疲劳裂纹起始寿命模拟试验和寿命估算时如何截除载荷谱中的小载荷的建议。     

机械加工残余应力对调质40CrNiMo钢疲劳特性的影响

机械加工在试样表面造成的残余压应力σｒ，若分布很浅（０．０１－０．０２ｍｍ），疲劳过程中σｒ极易衰减，从而对疲劳极无明显影响，疲劳仍限取决于裂纹萌生寿命。若σｒ分布较深（０．０５－０．０７ｍｍ），在疲劳过程中最外层应力衰减后，次外层残余应力与缺口应力综合作用，有可能在缺口根部产生非扩展裂纹，从而使疲劳极限取准地裂纹的止裂条件，提高了缺口试样疲劳极限。