疲劳破坏的过程及提高疲劳强度的方法

为了减轻汽车零件的重量，要求提高其疲劳强度。在这里将疲劳破坏分为七个阶段，研究了各阶段促进和抵抗疲劳破坏的因素。其结果有三种方法可有效提高应力比为正值的零件的疲劳强度。1)尽可能提高材料的屈服应力(硬度)；2)尽可能形成大而且深层的残余压应力。特别是对细晶粒钢，应尽可能提高最表面的残余压应力；3)尽可能减小材料的晶粒尺寸。     

门座式起重机焊接件疲劳破坏的成因及其修复、维护措施

从焊接产生的残余应力出发,分析了引起门座式起重机焊接件疲劳破坏的成因.通过具体分析,找到了适合于门座式起重机焊接件的焊接方法以及已疲劳开裂的焊接件的修复工艺.     

相变温度对焊接接头疲劳强度的影响

焊缝金属相变温度不同 ,相变体积膨胀变形造成的相变应力会直接影响焊接接头残余应力的类型和大小。通过焊缝金属相变温度和残余应力测试以及焊接接头疲劳强度试验 ,分析了焊缝金属相变温度对焊接残余应力和焊接接头疲劳强度的影响规律。利用 5种焊缝金属相变温度不同的焊条分别对具有较大拘束度和应力集中的纵向角接板接头进行焊接 ,疲劳试验证明 ,焊缝金属相变温度在 191℃左右时 ,焊接接头疲劳强度最高。此试验为低相变点焊条改善焊接结构疲劳强度做了进一步论证     

利用低相变点焊条改善焊接接头的疲劳强度

依据奥氏体转变为马氏体时的体积膨胀原理 ,自行研制成功低相变点焊条(LowTransformationTemperatureElectrode ,LTTE)。低相变点焊条的熔敷金属组织为低碳马氏体和残余奥氏体 ,其相变开始点MS 在 140～ 32 5℃之间 ,相应变结束点Tf 在室温附近。在焊接冷却至低温阶段 ,焊缝金属发生马氏体相变 ,相变体积膨胀将会降低焊接热场造成的残余拉伸应力 ,甚至出现残余压缩应力 ,从而提高了焊接接头的疲劳强度。利用所研制的低相变点焊条和普通E5 0 15焊条分别对具有较大焊接残余应力和较大应力集中的纵向角接板焊接接头进行焊接 ,疲劳试验证明 ,前者焊接接头的疲劳强度比后者提高 40 %左右 (在 2× 10 6循环次数下 ) ,疲劳寿命提高 2 5倍。此试验为改善焊接结构疲劳强度开辟了一条新的途径     

焊接残余应力对疲劳强度的影响及改善

通过分析和试验举例说明了焊接残余应力对焊接接头疲劳强度的影响。为了保证焊接结构可靠性,应采取措施改善和提高焊接接头的疲劳强度。     

热处理对提高疲劳强度与修复疲劳裂纹的影响

零件在使用过程中受到交变动载荷作用时,容易产生疲劳,严重的时候导致零件的破坏,甚至造成事故。热处理能够有效地提高材料的疲劳强度,并且能够对零件疲劳裂纹进行修复,从而延长零件使用寿命。疲劳裂纹容易产生于应力集中的部位,优化的组织结构能够有效抑制初始疲劳裂纹产生;热处理工艺选取是否合理对于保证材料疲劳强度是关键,热处理过程中应防止脱碳,获得晶粒大小合适,协调性好的组织;处于不同时期的裂纹其修复使用的热处理方法不同;由于组织与基体组织之间存在差异使得裂纹修复只能进行有限次数。     

表面层亚结构和残余应力对不锈钢和低碳钢疲劳强度的影响

透射电镜分析结果表明,不锈钢表面强化层内存在大量显微变形孪晶。变形孪晶不仅起到了组织强化的作用,而且还可防止表面残余应力在疲劳过程中逐渐衰减,使不锈钢弯曲疲劳强度维待在较高的水平。低碳钢表面强化层中的胞状位错组态在疲劳过程中稳定性较差,不能阻止表面残余应力的松弛,因此表面机械强化不能提高低碳钢的弯曲疲劳强度。     

超高强度钢喷丸表面残余应力在疲劳过程中的松弛规律

对超高强度钢23C014Ni12Cr3MOE进行了喷丸强化，采用X射线衍射应力分析方法研究了旋转弯曲疲劳过程中喷丸表面残余应力的松弛变化规律。结果表明，在疲劳循环过程中，残余应力的松弛主要发生在疲劳的初始循环100周次内，疲劳循环100周次后残余应力基本稳定在某一个应力水平上，而且其中的大幅度松弛发生在疲劳的初始循环10周次内。对比不同应力水平下的松弛行为，在疲劳极限以上的应力水平下，残余应力松弛的幅度和速率都较大。对喷丸后的试样在疲劳试验前先进行200℃／2h的保温提前应力松弛处理，然后再进行疲劳试验，200℃／2h的保温处理可降低残余应力松弛的幅度和速率甚至在低于疲劳极限的应力水平时只发生小的松弛或不发生松弛。但由于喷丸强化试样疲劳裂纹往往从次表层萌生，表面残余应力的松弛只能作为评价材料疲劳性能的一个参考数值，在工程应用时不能只依据表面残余应力来判定材料的疲劳性能。     

残余压应力对缺口疲劳性能的影响

本文研究了喷丸和滚压后缺口报部的残余压应力分布及其对疲劳极限和裂纹扩展速率的影响。残余应力在缺口部位有应力集中效应，其数值不仅取决于缺口的几何形状还和材料强度有关。表面形变后高强度材料的残余应力集中系数大又不易在交变载荷下松弛，因此提高缺口疲劳极限比光滑件更显著，在预测疲劳裂纹扩展时可将残余压应力作为附加闭合力迭加在裂纹自身的闭合力上用这种方法计算得的裂纹扩展速率和实验值很接近。     

蠕墨铸铁疲劳强度和疲劳裂纹扩展动态的研究

用球墨铸铁作为对比材料,研究了蠕墨铸铁在脉动拉伸负载下的疲劳强度和疲劳裂纹扩展动态,简述如下。     

激光冲击喷丸对LY12合金疲劳寿命的影响

研究了激光冲击喷丸对含中心紧固孔LY12合金试样的疲劳寿命的影响。试样表面经连续三次激光冲击喷丸处理后，可获得351MPa的表面残余压应力，且深度可达1．3mm以上。疲劳试验结果显示，激光冲击喷丸后．试样的裂纹扩展速率比未喷丸试样低约一个数量级，疲劳寿命约为未喷丸试样的20倍。结果表明，激光冲击喷丸是改善构件或材料疲劳性能的有效表面处理技术，在航空工业具有广泛的应用前景。     

激光冲击喷丸对LY12合金疲劳寿命的影响

研究了激光冲击喷丸对含中心紧固孔LY12合金试样的疲劳寿命的影响。试样表面经连续三次激光冲击喷丸处理后,可获得351MPa的表面残余压应力,且深度可达1．3mm以上。疲劳试验结果显示,激光冲击喷丸后,试样的裂纹扩展速率比未喷丸试样低约一个数量级,疲劳寿命约为未喷丸试样的20倍。结果表明,激光冲击喷丸是改善构件或材料疲劳性能的有效表面处理技术,在航空工业具有广泛的应用前景。     

用旋涡射流提高硅锰弹簧钢SUP7的疲劳强度

用旋涡射流在材料表面引发残余压应力,强化金属材料是可能的,因为旋涡气泡破裂的震动以喷丸硬化一样的方式冲击表面。为了验证用旋涡射流能提高材料的疲劳强度,进行了本项试验。试验材料采用Si-Mn弹簧钢SUP7。喷射试验的工艺参数为:上游压力P_1=20MPa,下游压力P_2=0.28 MPa,旋涡数σ=P_1=0.014,喷嘴口直径d= 0.842mm,喷射距离s=31mm。残余压应力取最大值时的的扫描速度v=0.25 mm/s。在上述条件下,旋涡射流喷射过的整个表面上引发残余压应力,用四点弯曲试验测试样疲劳强度。最小弯曲应力σ_(min)固定在123MPa,负荷量是可变的。材料经旋涡射流喷射后的疲劳强度约440MPa,比未喷射的强度重约10％。     

LSP提高TC6钛合金振动疲劳性能及强化机理研究

针对TC6钛合金进行了激光冲击强化(LSP)参数设计,应用XRD衍射仪对LSP试件进行了残余应力分布规律测试和图谱分析,采用透射电子显微镜对强化层微观组织进行了观察,对有无LSP标准振动疲劳试件进行了振动疲劳对比试验。研究表明,TC6钛合金LSP较佳功率密度为3 GW/cm2,LSP能在材料表层产生深度为1.6 mm的高数值残余压应力场,表面残余应力可达-660 MPa,深度为0.1 mm处残余应力最大,最大值可达-690 MPa;LSP后没有新相产生,且晶粒细化、残余微观应变导致Bragg衍射峰宽化;LSP后钛合金表层出现高密度位错和纳米晶;钛合金标准振动疲劳试件LSP后疲劳极限由438.6 MPa增加至526.7 MPa,提高20.1%;疲劳断口分析表明LSP产生的组织细化和高数值残余压应力场可以有效抑制疲劳裂纹的萌生和扩展,从而提升TC6钛合金的抗疲劳性能。     

疲劳裂纹萌生的微细观过程与内部疲劳极限理论

通过对现有的各种疲劳裂纹萌生模型的分析以及对表面形变哟化材料疲劳裂纹萌生现象的大量观察与分析，发现现有形核理论有若干不足。为此，提出了新的“疲劳裂纹萌生微细观过程理论”，并进而提出了表征金属材料疲劳性能的又一个新的特征能量－“内部疲劳极限”。     

(Fe)-C-N合金经沉淀硬化后的疲劳强度

为了寻求新的方法促进渗氮工艺在重型机械零件中的应用,渗氮层的硬化及通过对基体和心部进行进一步奥氏体化并快冷使其硬化的可能性引起了注意。本文给出了渗氮后的45钢(C-0．45％;Mn-0．65％)经沉淀硬化处理后的疲劳强度试验结果。试验结果表明经沉淀硬化后其近表层获得了不同的组织,可发现形态上与不同沉淀分散程度的贝氏体组织相似的纯马氏体区。渗氮后沉淀硬化有利于碳钢及其抗疲劳强度。本文还讨论了渗氮后沉淀硬化处理可替代渗碳或感应淬火。     

激光冲击强化提高TC4叶片振动疲劳性能

针对典型钛合金TC4进行激光冲击强化(LSP)参数设计,对强化后残余应力分布规律进行测量,应用透射电子显微镜对强化后表层微观组织进行观察,对有无LSP钛合金叶片进行不同应力水平下的振动疲劳对比试验。研究表明,TC4钛合金LSP最佳功率密度为3.5GW/cm2,LSP在材料表层产生高数值的残余压应力场,表面残余应力可达-610MPa,最大值约-650MPa位于距离表面100μm处。LSP在钛合金表层产生纳米晶,纳米晶尺寸在几个至几十纳米。钛合金叶片LSP后疲劳极限由430 MPa提高至560 MPa,升高30%;在560MPa应力水平下,中值疲劳寿命提高为原来的200%以上;LSP在钛合金表层产生的残余压应力场和纳米晶共同作用显著提高了钛合金叶片的抗疲劳性能。     

疲劳裂纹萌生的微细观过程与内部疲劳极限理论

通过对现有的各种疲劳裂纹萌生（形核）模型的分析以及对表面形变强化材料疲劳裂纹萌生现象的大量观察与分析,发现现有形核理论有若干不足。为此,提出了新的“疲劳裂纹萌生微细观过程理论”,并进而提出了表征金属材料疲劳性能的又一个新的特征参量——“内部疲劳极限”。根据提出的新理论,可对目前许多难以理解的疲劳现象,给出较圆满的解释。     

7075铝合金喷砂表面残余应力在疲劳过程中的松弛规律

对7075高强铝合金进行喷砂强化,采用X射线衍射法研究循环载荷作用下疲劳过程中喷砂表面残余应力的松弛规律。结果表明,残余应力的松弛主要发生在疲劳过程开始的100个周期内,其中大幅度松弛发生在初始10个周期内,1000次循环后残余应力基本稳定。不同应力水平下的松弛行为表明,循环应力达到疲劳极限以上时,残余应力松弛的幅度和速率都较大。经过150℃×2h保温处理的试样其表面残余应力显著降低,且疲劳过程中应力松弛的幅度和速率都降低。表面喷丸或喷砂强化试样大多在表面强化层下的拉应力区域产生裂纹,疲劳累积损伤理论也表明疲劳损伤是可以累加的,故表面存在一定数值的残余压应力并不能说明试样没有发生疲劳损伤,工程上不能只依据表面残余应力来判定材料的疲劳性能。