多轴疲劳裂纹扩展行为研究

利用扫描电镜对多轴比例和非比例加载下的疲劳试样的断口面和外表面进行扫描观测分析。根据薄壁管拉一扭复合加载试件断口附近表面观测结果，统计其裂纹扩展的位向，研究多轴疲劳裂纹萌生及扩展机理。研究表明，多轴疲劳裂纹主要是沿最大剪切平面或垂直于管形试样的轴线方向扩展。在多轴比例加载条件下，裂纹分布的分散性较小。在非比例加载条件下，随着相位差的增大，分散性增大。     

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。     

G13Cr4Mo4Ni4V轴承钢的拉压疲劳性能与失效过程研究

对G13Cr4Mo4Ni4V轴承钢微观组织和轴向拉压疲劳试验结果进行分析,揭示了疲劳裂纹的萌生与扩展机理,并对比分析了渗碳处理对该钢拉压疲劳性能的影响。结果表明：G13Cr4Mo4Ni4V轴承钢轴向拉压疲劳强度为610 MPa,起裂源于表面滑移带、内部团簇碳化物和夹杂物;渗碳处理影响轴承钢的疲劳寿命,当引起裂纹萌生的缺陷位于渗碳层时,缺陷位置所承受的应力大于平均拉应力,渗碳处理会降低试样的疲劳寿命;当引起裂纹萌生的缺陷位于试样内部时,缺陷位置所承受的应力小于平均拉应力,渗碳处理会显著提高试样的疲劳寿命。     

回火温度对40Cr钢疲劳裂纹扩展的影响

本文采用三点弯曲压-压疲劳实验方法测量了40Cr钢不同温度回火后疲劳裂纹长度与循环周次的关系曲线。结果表明,低温回火后,40Cr钢在缺口处的起裂抗力高,一旦萌生了一定长度的疲劳裂纹,疲劳裂纹扩展速率明显高于高温回火和中温回火试样;随着回火温度的升高,40Cr钢在缺口处的起裂抗力减小,但疲劳裂纹扩展速率也减小。疲劳断口微观分析表面,在疲劳裂纹扩展初期,低温回火试样的疲劳断口表现出脆性疲劳纹特征,中温回火和高温回火试样主要是二次裂纹组成的疲劳纹,而且随着回火温度的升高,二次裂纹间距减小。在疲劳裂纹扩展中区和瞬断区,低温回火的疲劳断口主要为解理断裂和沿晶断裂特征,中温和高温回火的疲劳断口是以韧窝为主的韧性断裂特征。疲劳裂纹扩展机理的不同导致了疲劳裂纹扩展规律的变化。     

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。     

高温比例与非比例加载下多轴疲劳寿命预测

针对拉扭多轴疲劳加载情况,分析最大剪切平面上的应变特性。利用临界损伤平面原理确定不同加载参数下的临界损伤平面,在此基础上提出一种基于单轴疲劳材料常数和高温蠕变特性的高温多轴疲劳寿命预测模型。利用高温合金材料GH4169薄壁管疲劳试样在控制应变拉扭循环加载下的试验数据,对所提出的寿命模型进行验证。结果表明,在高温低周拉扭循环加载下,所提出的高温疲劳寿命预测模型可以较好地预测高温疲劳寿命。     

防屈曲装置与试样间摩擦力对薄板拉压疲劳寿命的影响

采用TC4钛合金薄板防屈曲装置，在不同扭矩(1.5～2.5 N·m)和不同应变水平(0.25%～1.0%)下对SAPH440钢薄板试样进行拉压疲劳试验，研究了摩擦力对薄板试样疲劳寿命的影响，验证了防屈曲装置的适用性。结果表明：在以弹性应变为主导的低应变水平(0.25%)下，试样的疲劳寿命随摩擦力的增大而略微降低；在以塑性应变为主导的中高应变水平(0.5%～1.0%)下，试样的疲劳寿命随摩擦力的增大而增大；应变水平为0.25%,0.5%时试样裂纹扩展区中段疲劳辉纹间距均值分别为0.45,0.86μm,随着应变水平继续增大，疲劳辉纹变得不明显，出现了较为明显的二次裂纹。     

不同加载方式下疲劳极限之间的关系

依据应力场强度法分析了同种材料在不同加载方式下各疲劳极限之间的关系，并讨论了弯扭、拉扭疲劳极限图，分析了一些疲劳实验数据，表明本文的分析方法是合理可行的。     

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。     

预制止裂线对DT4C工业纯铁疲劳裂纹扩展行为的影响

借助ANSYS仿真结果,确定在疲劳裂纹扩展路径上预制"直线-圆"形止裂线的尺寸;在DT4C工业纯铁上加工出标准扩展紧凑拉伸试样,在距其U型切口根部不同距离(L_a分别为6.4,7.0,7.6mm)处预制止裂线,通过疲劳裂纹扩展试验及疲劳断口分析,研究了L_a对试样疲劳裂纹扩展行为的影响。结果表明:当L_a为7.6mm时,止裂线的引入降低了裂纹尖端的应力,延长了试样的疲劳寿命;在裂纹尖端到达止裂线位置之前,当L_a为6.4mm时,止裂线的引入提高了裂纹扩展速率,而当L_a为7.6mm时则降低了试样的裂纹扩展速率;在裂纹尖端穿过止裂线位置之后,含止裂线试样的裂纹扩展速率均明显降低;不含止裂线和含止裂线试样的裂纹扩展区呈现疲劳辉纹特征,瞬断区呈现韧窝断裂特征。     

基于相对误差平方和的神经网络预测镁合金多轴疲劳寿命

提出一种以相对误差平方和(Surm squared relative error,SSRE)作为误差性能函数的反向传播(Back propagation,BP)神经网络算法(SSRE-BP),针对3种不同镁合金AZ31B、ZK60和AZ61A在单轴拉压、纯扭、45°比例和90°圆形非比例等4种不同加载路径下的疲劳寿命进行预测。并与以均方误差(Mean squared error,MSE)作为误差性能函数的传统BP神经网络(MSE-BP)以及基于临界平面法的SWT疲劳损伤模型预测的结果进行比较。结果表明,在3种镁合金材料总共138组疲劳数据中,神经网络只有一组预测值在3倍偏差界限外,而用SWT预测结果分别有16组、13组、10组数据在3倍偏差界限外。两种BP神经网络能够较好地预测镁合金不同加载路径下的疲劳寿命,相比于SWT疲劳模型预测的寿命在精度上有较大幅度的提升。其中,SSRE-BP算法的精度略高于传统的MSE-BP算法。     

Nonlinear cumulative damage model for multiaxial fatigue

On the basis of the continuum fatigue damage theory, a nonlinear uniaxial fatigue cumulative damage model is first proposed. In order to describe multiaxial fatigue damage characteristics, a nonlinear multiaxial fatigue cumulative damage model is developed based on the critical plane approach. The proposed model can consider the multiaxial fatigue limit, mean hydrostatic pressure and the unseparated characteristic for the damage variables and loading parameters. The recurrence formula of fatigue damage model was derived under multilevel loading, which is used to predict multiaxial fatigue life. The results showed that the proposed nonlinear multiaxial fatigue cumulative damage model is better than Miner’s rule.     

椭圆方程式的多轴疲劳寿命预测模型

建立一种椭圆方程式的多轴常幅疲劳寿命预测模型,该模型采用临界平面概念,以临界平面上的最大切应变幅和法向应变程作为基本参数,并引入最大等效应力来考虑非比例循环附加硬化的影响。对该模型的理论分析表明,在单轴拉伸及单轴扭转应力状态下该模型能退化为常规的疲劳应变寿命模型,具有很好的兼容性。采用现有的304不锈钢和S45C钢材料的多轴疲劳试验数据对该模型及其他几种经典的多轴疲劳寿命模型进行寿命预测分散带及标准差的对比,结果显示该疲劳寿命预测模型的寿命分散带和标准差最小。分析表明,所建立的疲劳寿命预测模型可同时适用于多轴比例与非比例循环加载,且具有较小的寿命分散带和标准差,预测精度高,材料适用范围较广,计算方便可行。     

45钢非线性多轴疲劳累积损伤律研究

对45号中碳钢薄壁圆管试件进行了拉-扭复合双轴加载的多种比例及非比例路径下的常幅疲劳寿命试验以及多种组合两级变路径的多轴累积疲劳试验。应用所得试验数据对现有的常用疲劳损伤累积模型进行验证,基于Manson损伤曲线累积模型添加载荷路径变换因子,提出了一个适用于多轴非比例加载的非线性疲劳损伤累积模型,并对模型进行了验证,数据点基本控制在2倍误差带之内,得到令人满意的预测结果。     

平均应力对50钢超高周疲劳性能的影响

为了进一步拓宽超声疲劳试验的研究范围,对50钢进行了含有平均应力的三点弯曲和非对称拉压疲劳性能试验,得到相应的疲劳,S-N曲线,研究了平均应力对其超高周疲劳性能的影响。结果表明：超声频率加载下平均应力对50钢疲劳性能有显著影响,在应力幅相同的情况下,随着平均应力的增大,疲劳寿命降低;常规疲劳用于描述平均应力影响的Morrow关系仍能描述超声频率加载下高周疲劳（〈10^7周次）范围内拉伸平均应力对50钢疲劳性能的影响,但是不能用来描述超高周范围内拉伸平均应力和弯曲平均应力对疲劳性能的影响;常规疲劳用于描述平均应力影响的Goodman模型仍能很好地描述超声频率加载下一定寿命的应力幅值和平均应力的配合。     

基于损伤力学-临界面法预估多轴疲劳寿命

基于损伤力学理论建立的非线性疲劳寿命预估模型在多轴疲劳寿命预估中获得了广泛的应用,但该模型并未考虑损伤面发生的位置及其物理意义,将其与临界面法相结合提出一种新的多轴非线性疲劳寿命预估模型,新模型能够弥补现有的非线性疲劳寿命预估模型未考虑临界面物理意义的不足。新模型从损伤的角度来预估多轴疲劳寿命,不仅考虑了临界面上裂纹形成及扩展的物理意义、相位差对附加强化现象的影响,而且对非对称加载下的平均应变进行修正。新模型仅仅利用单轴疲劳试验数据以及单轴疲劳材料常数就可以预估出试样的多轴疲劳寿命,从而避免了代价高昂的多轴疲劳试验。采用45钢、316不锈钢、钛合金TC4三种材料的多轴疲劳试验数据对提出的模型进行评估和验证,对几种材料比例/非比例以及对称/非对称加载下的多轴疲劳寿命进行预估,预估结果与试验结果的误差都在5%以内,结果表明提出的多轴非线性疲劳寿命预估模型具有较高的预估精度。     

多轴变幅载荷下基于载荷支配模式的缺口件疲劳寿命预测方法

提出一种多轴变幅载荷下基于载荷支配模式的缺口件疲劳寿命预测方法。首先,通过循环计数方法确定多轴变幅载荷历程的计数循环(反复);其次,通过材料的循环应力应变关系和Neuber法推导出虚拟等效应变与真实等效应力之间的关系,并且分别将拉伸型和剪切型Shang-Wang多轴疲劳损伤参数替换虚拟等效应变幅来求解临界面上的真实等效应力幅;然后,通过真实等效应力幅和Neuber法则计算临界面上真实的拉压和剪切等效应变幅,并运用Manson-Coffin方程分别计算缺口部件的拉压和剪切疲劳寿命;最后,选择拉压和剪切疲劳损伤值中的较大值作为每个计数反复的疲劳损伤,并采用Miner法则进行疲劳损伤累积。缺口件多轴疲劳试验结果表明,采用基于载荷支配模式的缺口件疲劳寿命预测方法具有较高的预测准确度。     

中碳钢多轴循环特性的试验研究

针对拉扭薄壁疲劳试样,在控制总应用拉扭循环加载下对中碳钢进行了试验研究。分别测试对称与存在平均拉扭应变情况下,比例加载与非比例加载时,拉与扭的应力响应值随循环数的变化情况。     

变幅载荷下填充型天然橡胶疲劳试验与预测方法研究

以填充天然橡胶哑铃型圆柱试件为研究对象,进行不同应变比R与变幅载荷下的单轴疲劳试验,并分析变幅载荷对疲劳寿命的影响。以应变幅值为损伤参量,建立基于应变比R=0的等效应变幅值统一疲劳寿命预测模型,利用该模型预测所有应变比工况下的疲劳寿命,其预测值与实测寿命的偏差在2倍分散因子以内;对不同应变比R、载荷水平、加载顺序与停顿时间等变幅载荷下的疲劳寿命进行单轴疲劳试验,基于Miner线性损伤法则预测变幅载荷下的疲劳寿命,和实测寿命相比其偏差都落在2倍分散因子以内;对哑铃型试件进行随机载荷疲劳试验,通过雨流统计和不同应变比R下的统一疲劳寿命预测模型计算其总寿命,预测结果和实测结果最大误差在34%以内。验证了Miner线性损伤法则在填充型天然橡胶疲劳寿命预测中的普适性,所建立的不同应变比R下的等效应变幅值统一疲劳寿命预测模型可用于橡胶隔振器的前期耐久评估。