载荷频率对金属及其合金高周疲劳特性的影响

采用超声高频加载方法进行高周疲劳试验时,应考察载荷频率对材料疲劳特性的影响。本文从微观组织结构和外部环境两方面论述了疲劳特性的频率效应,从裂纹扩展率、断口分析等方面回顾和介绍了频率对合金钢、钛合金、铝合金三类常用金属疲劳特性的影响,比较了三者异同。最后展望了高周和超高周疲劳研究的方向和方法及其在工程中的应用。     

疲劳裂纹扩展行为的研究现状及钛合金的疲劳裂纹扩展特征

疲劳裂纹扩展行为是现代材料研究中重要的内容之一.论述了组织结构、环境温度、腐蚀条件以及载荷应力比、频率变化对材料疲劳裂纹扩展行为的影响.总结出疲劳裂纹扩展研究的常用方法和理论模型,并讨论了"塑性钝化模型"和"裂纹闭合效应"与实际观察结果存在的矛盾.最后,对钛合金疲劳裂纹扩展研究的内容和研究结果进行了概述.     

非对称循环加载下燃气轮机叶片材料疲劳寿命预测

燃气轮机叶片在实际工作过程中,易受到非对称循环载荷作用而发生疲劳失效。为便于准确地预测非对称循环加载下叶片材料的裂纹萌生及扩展寿命,首先考虑平均应力效应和高应力区的塑性变形影响,对Chaboche模型进行改进,然后将改进的Chaboche模型和Walker裂纹扩展公式相结合,建立了一种非对称循环载荷作用下裂纹萌生及扩展综合寿命模型,并用试验数据进行验证分析。结果表明,该模型预测得到的裂纹萌生寿命、裂纹扩展寿命与试验数据基本吻合,验证了新模型的适用性和准确性,为燃气轮机叶片损伤分析和寿命预测奠定理论基础。     

2024铝合金喷丸试件疲劳寿命试验及仿真研究

现有的喷丸材料疲劳性能研究扩展有限元模型没有考虑残余应力对裂纹扩展的影响。对2024铝合金的喷丸与未喷丸试样进行三弯疲劳试验,以明确喷丸工艺对试件疲劳寿命的强化作用。通过ABAQUS建立试件的二维平面应力模型,导入残余应力并利用扩展有限元法模拟循环载荷下裂纹的萌生与扩展,对比试验结果来验证该扩展有限元数值模型的正确性。最后基于该数值模型,改变载荷工况,研究不同载荷工况下残余应力对疲劳寿命的影响,得到喷丸残余应力强化作用与载荷工况的关系。结果表明:喷丸引入的残余应力可以有效地增强试件的疲劳寿命;过大的循环载荷可能造成喷丸残余应力发生松弛;在最大载荷不变的前提下,应力比越小,试件疲劳寿命越短;应力比越大,残余应力对疲劳寿命强化效果越明显。     

温度/机械载荷作用下高强度刨链裂纹扩展的随机化分析

为了描述温度/机械载荷作用下裂纹扩展速率,基于疲劳和蠕变裂纹扩展的线形叠加模型,提取圆环链的材料参数,引入对数正态随机过程,建立温度/机械交变载荷共同作用下高强度圆环链的裂纹扩展随机模型,采用泰勒级数法获得指定裂纹长度下寿命分布和指定寿命下裂纹长度分析的表达式,并进行刨链裂纹扩展的实验测试研究.结果表明,建立的圆环链随机化模型与试验结果一致.     

含穿透裂纹岩石的高频疲劳特性研究

该文以高强度白水泥为模拟材料,对含预置不同数目穿透裂纹的岩石进行了单轴压缩试验以及高频疲劳单轴压缩试验研究。该文充分考虑了裂纹对岩石试块宏观力学性能的影响,描述了裂纹扩展的规律,得到了含穿透裂纹的岩石材料的S-lgN曲线和考虑裂纹相互作用的疲劳方程。     

疲劳裂纹扩展行为的跨尺度分析方法

该文以跨尺度应变能密度因子作为裂纹扩展的控制参量, 建立了跨尺度疲劳裂纹扩展模型。疲劳破坏全过程可用该模型进行统一描述, 而不必划分成疲劳裂纹形成与扩展两个不同阶段, 采用不同的理论分别进行分析。以LY12 铝合金板为例, 采用上述模型, 精确拟合出不同循环特征下的S-N试验曲线。当考虑材料微结构的影响时, 疲劳试验数据的发散性也可拟合出来。研究表明:材料初始缺陷及微结构在疲劳过程中的演化特性, 对于构件的疲劳寿命有显著影响, 是疲劳试验数据发散的主要原因。     

Ni3Al合金热/机械疲劳裂纹扩展行为研究

对ＩＣ１０定向凝固高温合金进行了４５０￣９９０℃热／机械疲劳裂纹扩展行为的试验研究。分别研究了相位角、保持时间、温度、频率对ＩＣ１０合金裂纹扩展行为的影响,并建立了热／机械疲劳裂纹扩展速率预测模型。研究发现：温度的升高和频率的降低均会加速裂纹扩展;同相位热／机械疲劳裂纹扩展速率大于反相位热／机械疲劳裂纹扩展速率,而且它们两者介于最大温度和最小温度的等温度裂纹扩展速率之间;载荷保持加速裂纹扩展。     

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。     

高频载荷下高强钢的超高周疲劳及热耗散研究

应用超声疲劳试验技术,对两种高强度钢(42CrMo4,100Cr6)在20kHz频率下的超高周疲劳性能进行测试分析.实验结果表明:两种钢的S -N曲线在106周发生了明显的变化,出现了水平渐近线.尽管23个42CrMo4钢试样用于1010周的疲劳试验,但在8.76×107循环周次以上,没有疲劳破坏发生,42CrMo4钢存在疲劳极限,而100Cr6钢的S -N曲线呈现台阶型.高精度热成像仪检测不同载荷条件下疲劳试样温度的变化结果显示:温度的变化与试验材料和加载水平有关.试样温度的快速升高发生在超声疲劳试验的初期,温度的变化反映了材料内部的热耗散过程.裂纹萌生后,微裂纹处不可逆的局部塑性变形导致裂纹萌生区温度急剧升高,疲劳试样内部温度场的变化反映材料的疲劳损伤过程.SEM观察表明:在长寿命区,疲劳裂纹常萌生于试样内部或次表层组织缺陷处.     

加载历史和裂纹闭合对疲劳裂纹扩展行为影响的数值模拟

采用不同应力比条件下的16MnR钢紧凑拉伸试样,设计了三种有限元分析模型,即不考虑加载历史效应的静态裂纹扩展模型,同时考虑加载历史和裂纹闭合的动态裂纹扩展模型以及仅考虑加载历史的伪动态裂纹扩展模型,对疲劳裂纹闭合过程、裂纹尖端的应力-应变迟滞环、疲劳损伤和裂纹扩展速率进行了数值模拟与分析,进而着重探讨了加载历史和裂纹闭合影响疲劳裂纹扩展行为的交互作用机制。结果表明:对于同类分析模型,应力比越大越不容易产生裂纹闭合;而在应力比相同的情况下,加载历史引起的残余压应力对裂纹闭合有明显的促进作用。裂纹闭合效应阻碍了平均应力的松弛,减小了裂纹尖端附近的应力-应变场强度、疲劳损伤和裂纹扩展速率,而加载历史引起的残余压应力则加快了平均应力的松弛和抑制了棘轮效应。与实验结果比较发现,只有同时考虑了裂纹闭合效应和加载历史影响的动态裂纹扩展模型,才能对疲劳裂纹扩展行为进行准确、定量的模拟。     

温度和应力比对航空铝合金疲劳裂纹扩展规律的影响及其机理

针对7475-T761航空铝合金中心开裂(MT)试样进行了不同温度、不同应力比条件下的一系列疲劳裂纹扩展试验,得到了相应试验条件下的疲劳裂纹扩展数据与规律,讨论了应力比、环境温度对疲劳裂纹扩展行为的影响,并利用扫描电镜(SEM)观测分析了疲劳断口。结果表明:7475-T761铝合金疲劳裂纹扩展速率随应力比、温度的增加而增加;消除裂纹闭合效应影响后,相同温度不同应力比下的da/dN-ΔKeff可由同一拟合公式描述;高温时弹性模量和材料抗拉强度的下降以及裂纹表面氧化导致裂纹扩展速率较快;对比不同条件下稳定扩展区疲劳条带宽度验证了试验分析结论。     

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。     

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     

超声疲劳试验方法对S06钢疲劳性能及裂纹萌生机制的影响

采用超声疲劳试验方法和试样尺寸相近的高频疲劳试验方法对S06钢进行疲劳性能试验,将试验数据和试样断口形貌进行对比,研究超声疲劳试验方法对S06钢疲劳性能和裂纹萌生机制的影响.结果表明:在相同的应力水平下,超声加载频率下S06钢的疲劳寿命高于高频疲劳试验测得的疲劳寿命;超声疲劳试验中裂纹全部从表面萌生,而高频疲劳试样裂纹有表面萌生和内部萌生两种机制.分析了超声加载频率对S06钢疲劳性能和裂纹萌生机制产生影响的原因:对疲劳性能的影响与金属材料的晶体结构和裂纹尖端的化学反应有关,对裂纹萌生机制的影响与试样表层残余应力松弛有关.     

梯度钛合金裂纹扩展速率测试及梯度对扩展寿命影响

为明确梯度材料中裂纹扩展速率分布情况,对含裂纹TC11-TC4以及TA15-TA2两种组合梯度钛合金进行标准三点弯疲劳试验。试验结果表明:梯度结构中不同部位的相同组分扩展性能相同,给出了4种3D打印组分钛合金的Paris公式;梯度材料组分弹性模量的变化会改变裂纹尖端应力强度因子,对位于模量较低一侧的裂纹扩展有抑制作用;过渡层影响厚度范围内裂纹扩展速率介于两种组分之间且连续过渡,表明梯度材料可以消除异种材料连接的界面效应,提出基于组分材料体积分量的混合率描述梯度层中扩展性能的分布规律;恒定载荷试验中仅扩展方向不同情况下寿命有显著差别,验证了合理安排梯度参数可提高结构出现裂纹后的生存能力,其中扩展性能以及模量的变化分布对扩展寿命均有影响。     

陶瓷基复合材料疲劳特性的研究

应用相变增韧、相变-晶须复合及相变-颗粒复合三种方式来改善氧化铝陶瓷的力学性能,研究了陶瓷基复合材料的疲劳特性。 在循环压缩载荷作用下,陶瓷材料的应力集中处(如缺口)会产生垂直于压应力轴的疲劳裂纹,随循环周次的增加,裂纹的扩展由快到慢,最终完全停止。循环压缩疲劳裂纹的形成机理是较大的应力集中使材料内出现以微裂纹为主要形式的不可逆损伤,在随后的卸载过程中,不可逆损伤区产生很高的残余拉应力,使疲劳裂纹形核并逐渐扩展。 陶瓷材料在四点弯曲循环载荷作用下,疲劳裂纹具有较长的亚临界扩展过程。裂纹护展速率与循环载荷的最大应力强度因子K_(max)及应力强度因子幅度△K都有关,且随载荷频率的降低及载荷波形由三角波变为正弦波,裂纹扩展速率增加。陶瓷材料四点弯曲疲劳裂纹的亚临界扩展是材料内损伤逐渐累积的结果。疲劳过程中材料通过形成微裂纹及裂纹分叉、克服增强物的阻碍及裂纹表面的桥接与互锁作用、产生裂尖微区内的塑性变形及部分稳定ZrO_2的相变等方式来消耗能量,在材料内造成以微裂纹为主要形式的微观损伤,从而弱化了材料,使疲劳裂纹得以亚临界扩展。 陶瓷材料在1050℃高温下的强度约为其室温强度的一半。陶瓷材料的高温循环疲劳是高温静载效应与循环载荷效应的迭加,1050℃下,循     

两级载荷作用下复合材料界面的脱粘

研究了两级拉伸疲劳载荷作用下,纤维增强复合材料界面的脱粘。首先基于剪切筒模型,建立了求解纤维与基体应力的控制微分方程,并求得了相关解答。然后借助断裂力学中描述疲劳裂纹扩展的公式和能量耗散率理论,给出了界面脱粘长度、加载次数以及脱粘应力之间的关系式。最后通过实例模拟了两级拉伸疲劳载荷作用下的界面裂纹扩展,分析了界面疲劳裂纹扩展速率、脱粘长度在不同加载方式下的变化规律,以及材料泊松比的变化对界面脱粘的影响。从而为进一步研究工程结构的疲劳破坏和材料的最优设计提供一定的理论依据。      

复合材料疲劳分层的界面单元模型

提出一种三维黏聚力界面损伤模型,可以描述单调和交变载荷下层合复合材料混合型的分层损伤。损伤用界面所经历过的最大位移间断来定义,交变荷载下一个周期的加、卸载过程均考虑有损伤积累,模型还考虑了单调和疲劳损伤的门槛效应和交变载荷下裂纹的闭合效应。建立了包含该界面损伤模型的初始无厚度八节点等参界面单元,并引入加速损伤的算法,用一次计算循环代替若干次实际循环,提高计算效率。用该单元模型对某复合材料动部件疲劳分层裂纹的形成和扩展进行了模拟,得到了分层裂纹前沿界面局部损伤和结构疲劳分层的发展规律,模型预测的裂纹长度-荷载循环次数对数(a-log N)曲线和结构剩余刚度与试验数据吻合。     

拉—拉疲劳下15MnMoVN多裂纹扩展研究

为分析单裂纹或多裂纹在裂纹面承受疲劳拉伸载荷作用下尖端应力强度因子变化规律和裂纹形貌变化以及疲劳寿命情况,以含不同初始长深比的半椭圆单裂纹或双裂纹的薄片试样为研究对象,对试样在应力比R=0.1的疲劳拉伸载荷下单裂纹或双裂纹情况进行了仿真分析。建立含裂纹试样的有限元模型,仿真分析了裂纹在扩展过程中尖端应力强度因子的分布情况,并将单裂纹扩展结果与双裂纹相互作用影响下的结果进行了对比研究;进行含裂纹试样的疲劳实验,分析了含单裂纹或双裂纹的试样的断裂面的形成原因,并验证仿真结果正确性。结果表明,裂纹面之间的相互作用会逐渐影响裂纹的扩展方向、扩展速率以及在扩展过程中尖端应力强度因子的变化趋势;而且初始形貌为半椭圆形的双裂纹在相互作用影响下会逐渐过渡到半圆形。