不锈钢管道焊缝金属疲劳短裂纹行为的实验研究Ⅱ.裂纹萌生,扩展与 …

基于“有效短裂纹准则”,用复型研究了１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ不锈钢管道焊缝金属光滑试样表面的短裂纹萌生、扩展与交互作用行为。结果表明：有效短裂纹（ＥＳＦＣｓ）萌生于δ铁素体与奥氏体基体的交界处。ＥＳＦＣｓ扩展具有明显微观结构短裂纹（ＭＳＣ）和物理短裂纹（ＰＳＣ）两阶段特征。主导有效短裂纹（ＤＥＳＦＣ）行为是ＥＳＦＣｓ交互作用的结果,适于表征短裂纹行为。ＤＥＳＦＣ扩展率的分散性与ＥＳＦＣｓ密度的分散性有     

疲劳短裂纹扩展中的混沌现象

在低周疲劳的短裂纹扩展中 ,利用非线性动力学理论 ,分析 Hobson的短裂纹扩展公式 [1 ] ,发现在一定条件下会出现分岔、混沌现象。计算机模拟试验显示 ,在混沌区域内 ,即使初始裂纹尺寸相差很小 ,在经过若干次的应力循环后 ,两者之间会相差很大。如果假设裂纹是以单裂纹穿晶形式扩展 ,发现参数在许多取值区间会发生分岔、混沌现象。由此可知 ,短裂纹扩展的分岔和混沌 ,是导致疲劳试验结果分散性大的原因之一。     

基于FIP的焊趾短裂纹行为仿真

短裂纹的成核与早期扩展是疲劳裂纹演变过程的重要组成部分,对疲劳裂纹的演变行为和寿命预测具有重要意义. 针对焊趾局部的微观结构短裂纹,以微观敏感的疲劳指标参量为主要驱动力,基于泰森多边形方法构建了焊趾区域的晶粒模型,模拟了微观结构短裂纹的早期演变过程. 通过与试验结果对比,证实了微观敏感的疲劳指标参量及其计算模型的合理性和有效性. 仿真结果表明,疲劳寿命同时受晶粒所在位置、晶粒尺寸和晶粒取向等因素的影响,晶粒取向的随机性对裂纹宏观尺寸的分散性具有重要作用.     

Al2O3sf/ZL109复合材料的热疲劳短裂纹的扩展行为

在室温至２８０℃间热循环条件下,研究了体积百分含量１８％的氧化铝短纤维增强ＺＬ１０９铝－硅合金复合材料和基体ＺＬ１０９铝－硅合金的热军短裂纹扩展行为,并且探讨和复皮劳裂纹的形成机制和扩展过程。研究结果显示,短裂纹扩展阶段,热疲劳裂纹与增强体纤维有明显的交互作用,但复合材料的皮劳短裂纹扩展速率比基体合金的大,加强基体与纤维的界面结合,提高纤维质量,可望提高复合材料的热疲劳裂纹扩展抗力。     

钛合金焊缝表面疲劳短裂纹的扩展行为

对TC2钛合金焊缝金属疲劳表面短裂纹扩展行为进行了实验研究,表明裂纹的扩展过程是多裂纹系统的演化过程.基于实验结果,考虑到短裂纹扩展过程中的合并、干涉作用等因素,用应力松弛区模糊化的方法,建立了仿真模型,对疲劳短裂纹演化的物理过程进行了数值模拟.将短裂纹演化行为模拟结果与短裂纹扩展复型的实验结果比较,可以看出两者吻合较好,表明所建立的准则合理、实用.     

考虑多裂纹的焊趾裂纹扩展行为的数值仿真分析

针对焊趾处存在多裂纹的情况,对多裂纹扩展过程进行了数值仿真.考虑短裂纹扩展阶段,采用M积分计算整个裂纹前沿的应力强度因子,模拟并分析了不同初始表面裂纹间距条件下,该因素对裂纹前沿融合前后的扩展行为的具体影响.结果表明,裂纹间距的不同将直接导致其对整个裂纹前沿前后的应力强度因子的影响的差异;受初始裂纹间距的影响,裂纹前沿断口形貌呈现不同形状;可将相对裂纹间距L/a=1分界拐点作为后续工程研究的有效参考.后续进行了十字焊接接头疲劳验证试验,对仿真结果取得了较好的验证.     

表面滚压对LZ50车轴钢疲劳短裂纹行为的影响

完成了6根表面经滚压处理的漏斗形圆棒试样疲劳短裂纹复型实验,结果表明其短裂纹行为表现出明显的微观结构短裂纹(MSC)和物理短裂纹(PSC)2阶段特征.在MSC阶段,由于不同微观结构障碍的阻碍,主导短裂纹出现2次较明显的扩展减速,进入PSC阶段后,随着主导短裂纹尺度的增长,该现象不再显著.与表面未经滚压的试样相比,在给定主导短裂纹尺度条件下,滚压试样的裂纹扩展速率低得多,这种差异在MSC阶段可达1个数量级.滚压试样平均疲劳寿命达到未滚压试样的6.4倍.表面滚压处理有效抑制了微裂纹的形核与合并,改善了局部微观结构条件,并推迟了MSC与PSC过渡阶段的到来,提高了材料的抗疲劳性能.对主导短裂纹尺度、疲劳寿命分数和有效短裂纹密度3种特征参量进行分析,确定了其良好假设分布和统计演化规律.     

喷射沉积Al-Si/SiCp制动盘材料的热疲劳微裂纹扩展行为

采用V形缺口试样,研究喷射沉积Al-Si/SiCp复合材料制动盘在25(450 ℃热循环下的热疲劳行为.通过金相显微镜和扫描电镜观察了复合材料的组织和热疲劳裂纹形貌,研究热疲劳裂纹形成与扩展机制.结果表明:热疲劳主裂纹主要从V形缺口处萌生;在同样的热循环次数下,热处理前的试样要比热处理后的试样先出现裂纹,且裂纹扩展的速率较快;裂纹绕过Si颗粒向前扩展以及裂纹穿过Si颗粒向前扩展是裂纹与Si颗粒相互作用的主要机制;SiC颗粒与热疲劳裂纹有明显的交互作用.因此,改善Si相的形态和分布以及加强Al/SiC颗粒间的界面结合有利于提高热疲劳裂纹扩展的抗力.     

TA15钛合金焊缝及热影响区疲劳裂纹扩展行为

在扫描电镜下对TA15钛合金氩弧焊焊缝(FZ)及热影响区(HAZ)疲劳裂纹扩展行为进行了动态原位观察研究.结果表明,焊缝疲劳裂纹扩展过程中裂纹尖端滑移明显,滑移线较长;热影响区裂纹扩展初期裂纹尖端滑移不明显,在裂纹扩展中后期才出现较为明显的滑移,且滑移线较短,存在较多的二次裂纹;焊缝疲劳裂纹扩展速率高于热影响区.焊缝与热影响区疲劳裂纹扩展行为的差异与其显微组织的不同有关.     

TTCI数据概率评估840D车轮辐板孔裂纹扩展速率的研究

840D车轮辐板孔裂纹扩展速率da/dt具有很大分散性,其分散性主要来源于车轮载荷分散性,可用da/dt=Q·a(a≤35 mm时)来表达,裂纹扩展参数Q代表了da/dt的分散性.现场调查获得840D车轮辐板孔裂纹有效数据共3974组,是裂纹长度a及其形成时间t的孤立数据点.通过统计方法分析表明不同裂纹长度下的裂纹形成时间分布(TTCI)很好地符合双参数威布尔分布.建立了裂纹扩展的概率模型,通过不同裂纹长度及其对应的不同可靠度下的裂纹形成时间,拟合获得了不同可靠度下的裂纹扩展速率参数Q.数据分析表明Q服从正态分布,即,Q～N(0.918,0.3112).     

TC4ELI合金疲劳裂纹尖端塑性区对裂纹扩展的影响

研究了TC4ELI合金片层组织与短棒α组织中的疲劳裂纹尖端塑性区及裂纹扩展行为.首先通过SEM及TEM观察比较两种显微组织下的疲劳裂纹尖端塑性区,讨论两种显微组织中裂纹尖端塑性区对疲劳裂纹扩展路径及扩展断口的影响,分析裂纹扩展路径和裂纹尖端塑性区对裂纹闭合及裂纹扩展速率的影响.结果表明:与短棒α组织相比,片层组织中具有较大的裂纹尖端塑性区及曲折的裂纹扩展路径,并最终从疲劳裂纹闭合的角度,解释了片层组织具有较低的疲劳裂纹扩展速率的原因.     

SiC颗粒对SiC_p/2009Al复合材料疲劳短裂纹扩展的影响

采用粉末冶金法制备15%(体积分数)SiC_p/2009Al复合材料,研究该材料的微观组织、力学性能、高周疲劳性能以及疲劳断口形貌.结果表明:在SiC_p/2009Al复合材料的疲劳短裂纹扩展阶段,SiC颗粒及其表面包覆的2009Al薄层在裂纹扩展面上形成"丘陵"状形貌,使疲劳断口的粗糙度增大,裂纹的闭合效应也随之增大:同时"丘陵"状形貌可以引发疲劳裂纹扩展路径偏析,使裂纹扩展的有效驱动力减小并使裂纹扩展路径增加;上述裂纹迟滞效应使SiC_p/2009Al复合材料在短裂纹扩展阶段具有较高的疲劳裂纹扩展抗力.     

断口定量概率评估货车车轮辐板孔裂纹扩展速率

裂纹扩展速率是工程断裂失效预测分析的基础,采用断口定量测量裂纹扩展速率是常用的实用方法之一.分析货车车轮辐板载荷对裂纹扩展速率的影响,阐明可用裂纹扩展参数Q描述载荷分散性,进而建立了基于载荷分散性的裂纹扩展速率不确定性方程.针对货车车轮辐板孔裂纹失效,通过断口定量测量多个断口的da/dN～a数据,介绍了断口定量概率评估裂纹扩展速率的方法.断口定量分析结果与仿真计算结果相吻合.     

高铌TiAl合金在疲劳蠕变作用下的裂纹萌生及扩展

利用SEM原位观察技术研究了近片层Ti-45Al-8Nb-0.2W-0.2B-0.1Y合金在750℃疲劳蠕变交互作用下的裂纹萌生及扩展行为,循环实验采用在最大拉应力保载的梯形波.结果表明,裂纹主要在片层团界面萌生,裂纹萌生方式包括蠕变空洞和疲劳微裂纹.片层团界面处的微裂纹先通过吞并蠕变空洞或在裂纹尖端应力集中作用下沿片层团界面进行扩展,然后相互连接长大;当裂纹扩展受到不同取向的片层团界面阻碍时,受阻的裂纹开始沿试样厚度方向扩展,且附近伴随出现垂直于载荷方向的微裂纹;最终受阻的裂纹相互连接直至合金断裂.将实验结果与该合金在相同条件下疲劳变形和蠕变变形的原位观察结果进行了比较.结合实验结果建立了高铌TiAl合金在疲劳蠕变交互作用下裂纹萌生及扩展示意模型.     

X80管线钢焊接热模拟热影响区疲劳裂纹扩展行为的分析及预测

通过焊接热模拟方法对X80双相管线钢不同焊接热影响区疲劳裂纹扩展行为进行了研究,并分析实际焊接试样与焊接热模拟试样的热影响区疲劳裂纹扩展行为的差异,讨论了焊接热模拟技术应用于疲劳裂纹扩展寿命预测的可行性。结果表明,当裂纹在粗晶热影响区(CGHAZ)和临界热影响区(ICHAZ)上扩展时,由实际焊接试样与焊接热模拟试样热影响区所测得的疲劳裂纹扩展速率曲线(da/dN-DK曲线)存在明显差异,其原因与显微组织变化引起的裂纹扩展阻力大小不同有关。因此,建议采用实际焊接试样完整的热影响区所测得的da/dN-DK曲线来评估疲劳裂纹扩展寿命。     

海洋工程焊接结构疲劳小裂纹扩展观察与表征

海洋工程焊接结构中不可避免地存在焊接缺陷,由焊接缺陷引起的疲劳裂纹扩展是导致海洋工程结构失效的主要原因。文中针对海洋工程焊接结构小裂纹的疲劳裂纹扩展行为表征和计算方法进行研究,小裂纹的疲劳裂纹扩展行为与宏观长裂纹明显不同,随着裂纹长度的增加,呈先降低后增加的V形变化趋势。考虑裂纹扩展的闭合效应,提出了等效应力强度因子可以很好地反映小裂纹的疲劳裂纹扩展速率变化规律。     

8090Al—Li合金的疲劳裂纹扩展

研究了8090型Al—Li合?疲劳裂纹扩展行为以及组织结构和环境的影响,结果表明,在空气中,自然时效和欠时效?现出最好的疲劳裂纹扩展阻力,其次是峰时效状态,而过时效状态的疲劳裂纹扩展阻力最低,在3.5%NaCl水溶液中,时效状态对疲劳裂纹扩展行为有着同空气中相同的影响规律,但在同样的时效条件下,在3.5%NaCl水溶液中的疲劳裂纹扩展阻力要比空气中的低,在相同的应力强度因子范围△K作用下,缺口短裂纹和物理短裂纹均表现出比长裂纹高的扩展速率,用位错的平面滑移性和循环滑移可逆性解释了时效的影响,用裂纹的闭合效应和裂纹尖端塑性区尺寸说明了长短裂纹扩展行为的差别。     

喷射沉积SiC_P／Al-7Si复合材料的疲劳裂纹扩展

采用紧凑拉伸试样进行恒载和降K控制的拉--拉疲劳实验, 研究了喷射沉积SiC_p/Al-7Si复合材料及其基体的疲劳裂纹扩展行为. 通过金相显微镜和扫描电镜观察了复合材料及其基体的组织和疲劳裂纹扩展形貌, 研究了SiC颗粒对复合材料疲劳裂纹扩展机制的影响. 结果表明: 复合材料在任何相同的ΔK水平下其抗疲劳裂纹扩展能力优于基体材料, 并表现出较高的疲劳门槛值. 其原因是复合材料中裂纹裂尖遇到增强颗粒时, 裂纹发生偏转, 特别是SiC颗粒自身微裂纹萌生有效降低了裂纹尖端的应力强度因子, 复合材料的裂纹闭合效应也随之增大. 去除裂纹闭合效应的影响, 当有效应力因子ΔK_eff作为裂纹扩展的驱动力时, 复合材料的裂纹扩展速率却高于基体.     

45钢疲劳短裂纹的形成和扩展

本文对４５钢光滑试样疲劳短裂的纹的形成和扩展进行了试验，利用复型技术和光学显微镜观测了裂纹尺寸演化全过程，发现疲劳短裂纹形成寿命小于失效寿命的１０％，根据裂纹的扩展速度将短裂纹形成分成微观短裂纹和物理短裂纹两个阶段，给出了区分两种短裂纹的裂纹特征尺寸值和两种短裂纹的扩展速度公式。     

含氢NZ2锆合金疲劳裂纹扩展行为

利用板材标准M(T)试样研究了4种不同氢含量(0,200,450,730 (g/g) NZ2锆合金的疲劳裂纹扩展行为.发现不论含氢量的高低,裂纹稳态扩展区的裂纹扩展行为均符合Paris幂律关系,即 da/dN=C((K)n,但随着氢含量的增加,n值不断减小;含氢量增加导致NZ2合金塑性变形能力降低,疲劳裂纹扩展速率增加,尤其是氢含量较高时表现更为明显.