超声振动载荷下LY12合金的超高周疲劳性能研究

简述了超声疲劳试验原理，通过有限元计算及动态模态分析方法，研究了试件在振动过程中应力和振动位移的分布。应用超声疲劳试验技术研究了LY12合金在超声振动载荷(f=20kHz，R=-1)下的超高周疲劳性能。与常规疲劳载荷(f=30Hz)的疲劳性能做了对比分析。结果表明，在10^5～10^7周次之间，超声疲劳与常规疲劳载荷下的试验结果一致，在10^7～10^9周次之间，曲线仍有下降趋势，而未呈现水平。从扫描电镜分析10^7～10^9周之间发生疲劳断裂的试件发现：(1)多数试件的疲劳破坏源于试件表面缺陷；(2)对于一些无明显表面缺陷的试件，在超高周循环下，疲劳破坏会从试件次表面处发生。超高周循环下，表面缺陷和材料内部缺陷都会引起疲劳破坏。     

16MnR钢超高周疲劳性能实验

用超声振动疲劳技术研究了16MnR钢的高周与超高周疲劳性能。实验在室温下进行,应力比R=-1,频率20kHz,采用狗骨形试样。试验获得了16MnR钢在10^5～10^9范围内的疲劳寿命曲线（S-N曲线）,结果发现曲线呈缓慢下降趋势,在10^7周次以后,试样仍未发生疲劳破坏,不存在传统意义上的疲劳极限。用电子扫描电镜对16MnR的高周和超高周疲劳断口进行了微观观测,结果发现,疲劳裂纹萌生于试样表面,未观察到含铁材料通常在超高周实验中出现的“鱼眼”现象。     

薄片超声弯曲疲劳试验方法研究

根据超声振动理论,在单轴超声疲劳试验方法的基础上,提出了一种新的适用于超高周弯曲疲劳的试验方法,并应用到金属薄片的超高周弯曲疲劳研究中,开发了薄片超声弯曲疲劳试验系统。根据振动理论和应力波原理,介绍了一种超声弯曲疲劳薄片试样的设计方法,给出了试样谐振长度的解析计算式以及试样中沿其谐振长度方向的位移、应力分布表达式。将开发的试验技术应用到316L不锈钢薄片的超声弯曲振动疲劳研究中。     

低铬合金钢的超高周疲劳行为和裂纹扩展路径分析

SAE5120钢是汽车行业中齿轮构件使用的材料,其实际使用循环数超过了109。研究经过热处理、普通渗碳或表面低压渗碳处理后的低铬合金钢的超高周疲劳行为,应用压电超声疲劳试验机(20 kHz,应力比R=0.1)完成超高周疲劳试验,并获得处理后材料的超高周疲劳行为。通过对表面渗碳处理后试件断口的裂纹扩展路径分析,研究材料表面渗碳处理、微观结构、与杂质有关的裂纹萌生及断裂机理,根据高倍扫描电镜的裂纹条纹测量和应力强度因子计算对Paris公式的参数进行了估计。     

高强度钢54SCV6超高周疲劳研究

介绍用２０ＫＨｚ超声波振动疲劳试验机对一组高强度钢５４２ＳＣＶ６的２９个试件的超高周疲劳强度研究结果,研究发现,中材料的高周直到超高周区间疲劳强度随材料寿命的加大呈明显减小,即Ｓ－Ｎ曲线呈明显下降。这一结果与传统的假说认为该区间的疲劳强度为水平渐近线或为一定值完全不同。     

高温超声疲劳试验系统设计及应用

温度对金属材料超高周疲劳性能有着重要影响,但是目前常用的超声疲劳试验系统无法实现高温加载。本文基于现有超声疲劳试验系统设计并配置了一套感应加热设备,可实现高温环境下加速疲劳试验。为了保证加热系统准确可靠,使用非接触式红外温度传感器对试样表面温度进行了实时动态监测,同时通过热电偶对红外温度传感器进行标定。钛合金高温疲劳试验结果证明高温超声疲劳试验系统完全满足需求且结果准确可靠。     

LY12铝合金早期性能退化下超声非线性系数测量和金相观察

针对材料早期力学性能退化问题,通过试验研究了疲劳加载下LY12铝合金试件的超声非线性系数和微观结构特征变化.结果表明,早期性能退化情况下,超声非线性系数和微观形态随着疲劳程度发生变化.超声非线性测量和微结构观察相结合的方法对于材料早期力学性能退化的疲劳寿命评估具有潜在的应用前景.     

超声加载条件下低合金钢疲劳裂纹扩展寿命

对低合金钢q345狗骨型试样进行了超声疲劳试验,应力比R=-1,研究其在超高周区域内的疲劳寿命特性及破坏机理。试验过程中发现试样疲劳裂纹的扩展会导致试样固有频率的降低,通过有限元模态分析确定了试样断裂瞬间固有频率大小与表面裂纹尺寸的关系,经过对比发现,有限元得到的裂纹半径与断口分析测出的裂纹大小十分吻合。根据实验过程中固有频率的减少情况预测了试样超高周疲劳裂纹扩展寿命的大小,发现其占到疲劳总寿命大小的0.2%～0.5%。     

航空发动机用钛合金TC17疲劳失效研究

为了揭示钛合金TC17疲劳失效机理,本文针对钛合金TC17疲劳研究建立了适用于钛合金TC17的疲劳寿命预测模型。采用超声疲劳试验技术,对钛合金TC17进行不同应力幅值条件下的疲劳试验,并对试件的表面形貌进行定量检测。应用经典的两参数模型(Basquin模型),结合钛合金TC17疲劳试验结果,提出了超高频率载荷作用下的钛合金TC17应力-寿命(S-N)曲线。使用扫描电镜显微镜对试件断口形貌特征进行观察,分析表面粗糙度对钛合金TC17高周及超高周疲劳失效机理的影响及疲劳性能的劣化作用。结果表明:TC17疲劳强度为615 MPa,表面粗糙度是引起TC17疲劳失效的主要因素。研究内容对钛合金TC17零部件维护及寿命预测具有积极意义。     

超声疲劳拉伸实验装置的设计及实验

为了研究超声对材料力学行为的影响,设计研制了一套超声疲劳拉伸实验装置;该装置主要由超声波发生器、超声波换能器、等组成,同时利用该装置对紫铜进行了疲劳拉伸实验,并得到了一些新的结果,诸如：材料屈服点降低,硬化率降低等。     

Q235、Q345钢结构材料的低周疲劳性能

对Q235、Q345钢的低周疲劳性能进行了研究。采用轴向应变控制方法,在岛津电液伺服疲劳试验机上测定了2种钢低周疲劳过程中的循环应力响应特征、循环应力与应变的关系,通过拟合Basquin公式和Coffin-Manson公式得到了2种钢的疲劳寿命公式,据此计算了Nf=100周时的循环能量吸收率σa.Δεt值,并与别的钢筋进行了比较。通过断口扫描发现,Q235钢裂纹起源于试样表面,由于第二相质点和夹杂物的存在,形成微孔洞和微裂纹,互相连接形成疲劳断裂;Q345钢裂纹起源于表面,然后通过不断扩展形成微裂纹,再连接成宏观裂纹,最终导致材料断裂。     

Ultra-high cycle fatigue behavior of high strength steel with carbide-free bainite/martensite complex microstructure

The ultra-high cycle fatigue behavior of a novel high strength steel with carbide-free bainite/martensite (CFB/M) complex microstructure was studied. The ultra-high cycle fatigue properties were measured by ultrasonic fatigue testing equipment at a fre-quency of 20 kHz. It is found that there is no horizontal part in the S-N curve and fatigue fracture occurs when the life of specimens exceeds 107 cycles. In addition, the origination of fatigue cracks tends to transfer from the surface to interior of specimens as the fa-tigue cycle exceeds 107 , and the fatigue crack originations of many specimens are not induced by inclusions, but by some kind of "soft structure". It is shown that the studied high strength steel performs good ultra-high cycle fatigue properties. The ultra-high fa-tigue mechanism was discussed and it is suggested that specific CFB/M complex microstrueture of the studied steel contributes to itssuperior properties.     

沥青结合料疲劳失效定义与失效准则

为了更好地理解沥青结合料的疲劳失效特性,以黏弹连续介质损伤力学为分析手段,通过加速疲劳试验和传统时间扫描疲劳试验系统研究了基质沥青和改性沥青在不同加载条件下的疲劳失效行为.研究发现,基于虚应变能理论提出的将最大存储虚应变能指标作为沥青加速疲劳试验中的疲劳失效新定义,与现象学指标相位角峰值有着很好的等效性,并和时间扫描试验中的疲劳失效定义保持了一致,进而依据疲劳失效定义建立了虚应变能释放率和材料疲劳寿命之间的特性关系准则.该特性准则与试验方法和加载条件无关,可作为统一的疲劳失效准则运用于沥青结合料的疲劳性能预测.     

大跨度钢桁拱桥节点疲劳性能试验研究

重庆朝天门大桥是当今世界第一大跨度拱桥,其下弦节点直接承受公路荷载与轻轨荷载的双重作用,下弦节点连接处应力幅大,目前大跨度钢桥中未曾有类似的设计及试验,因此,该文对其下弦节点连接进行了高周疲劳试验以确定其连接的可靠性。首先通过相关规范及朝天门大桥的交通量确定出模型的试验荷载,并完成从实桥节点到模型的转换,然后对模型进行正常设计荷载下的200万次疲劳试验,该试验验证了设计寿命期内朝天门大桥节点连接的安全性,并用空间有限元分析结果验证了试验数据的真实性。最后进行了该模型的疲劳破坏试验,得出了这类节点的疲劳破坏规律,为该类桥梁以后的设计及监测提供了数据及参考意见。     

TC4钛合金的疲劳裂纹扩展Walker公式

为了研究不同应力比下TC4钛合金疲劳裂纹扩展特性,用Warker公式来描述不同应力比下的疲劳裂纹扩展速率.按照标准试验方法,试验加载应力比分别为0.06,0.5,0.7.利用递增多项式数据处理的计算程序,绘制了铸造TC4钛合金疲劳裂纹扩展速率曲线,并对疲劳断口进行扫描分析,计算Walker公式下的材料常数.结果表明,当应力比R≥0时,疲劳裂纹扩展速率随应力比的增大而增大,表现为疲劳条带间距增大.计算得材料常数m为4.082 16,n为-0.023 91,C为6.963 04×10-7.     

Q345圆钢杆的疲劳破坏模型

为研究结构钢圆杆的疲劳破坏模型,以结构钢的椭球面断裂模型为开裂判据,由结构钢圆杆疲劳裂纹的裂尖真实应力场,计算出结构钢圆杆疲劳裂纹的失稳扩展面积、稳定扩展面积和稳定扩展长度.基于结构钢疲劳裂纹随加载次数加速扩展的试验事实,假定结构钢圆杆的疲劳裂纹稳定扩展速率是循环加载次数的单调递增幂函数,即双对数坐标系下结构钢圆杆的疲劳裂纹稳定扩展速率和循环加载次数为单调递增线性函数,积分后得到结构钢圆杆的疲劳裂纹稳定扩展长度和疲劳寿命间的函数表达式,导出结构钢圆杆的疲劳破坏模型.建议的结构钢圆杆的疲劳破坏模型表明,结构钢圆杆的疲劳寿命是名义最大应力、相对应力幅、初始裂纹位置和初始裂纹长度的复杂函数,不能简单化为仅是应力幅的函数.对Q345B圆钢杆进行了常幅循环应力疲劳试验,结果表明,Q345B圆钢杆的疲劳寿命随相对应力幅和名义最大应力的增加而降低.根据Q345B圆钢杆的疲劳试验结果,标定了其疲劳破坏模型参数,验证了建议的疲劳破坏模型精度.