同步辐射光源四维原位成像助力材料微结构损伤高分辨表征

具备高时空分辨率的同步辐射光源是标志着现代基础科学核心创新能力的一种大科学装置。介绍了基于高能X射线三维成像的原位加载装置的国内外研究进展,简要论述了作者团队自2011年以来基于上海同步辐射光源和北京同步辐射装置自主研制的系列原位加载装置,包括原位拉伸、压缩、低周疲劳、高周疲劳、超高周疲劳试验机及其样品环境,以及针对轻质高强材料(激光焊接铝合金和激光增材制造铝、钛合金等)缺陷安全性评定开展的研究工作。结果表明,原位加载装置是表征先进材料微结构损伤演化的核心,也是关系国家竞争力的大科学装置的重要支撑。     

损伤容限设计方法和设计数据

论述了损伤容限设计方法 ,研究了长裂纹的疲劳裂纹扩展寿命估算方法和初始裂纹尺寸a0 的确定方法。并提供了常用国产机械材料的疲劳裂纹扩展速率和疲劳裂纹扩展门槛值的试验数据。     

电弧增材再制造低碳钢疲劳性能研究

以增材制造为核心的再制造技术有望在航空航天、武器装备等领域成为替代人工或减材再制造的核心再制造技术。增材制造采用逐层熔融沉积成型,其疲劳性能与常规制造材料相比通常具有较大差异。成型过程中移动热源反复熔覆,形成复杂热历史,造成材料微结构的复杂演变。因此,增材制造材料疲劳裂纹扩展性能也存在一定的各向异性。以电弧增材再制造低碳钢为对象,针对裂纹扩展性能,研究电弧增材制造与常规热轧制造材料之间,以及电弧增材制造材料不同取向之间疲劳裂纹扩展速率的差异。分析造成疲劳裂纹扩展性能差异的微观层面机理,为电弧增材再制造材料在关键领域应用提供支持。     

弹簧的疲劳强度,寿命预测与损伤容限

本文主要讨论了弹簧疲劳强度、疲劳寿命及其影响因素。疲劳断裂是疲劳裂纹萌生、扩展的必然结果，疲劳寿命一般包括疲劳裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命两部分，最后导致断裂。从断裂力学和ｄａ／ｄＮ－△Ｋ方程来预测弹簧的疲劳寿命，重点分析了弹簧生产过程中的损伤容限，最后提出了一些延寿技术措施。     

离心轮内部疲劳裂纹扩展及其无损定量表征

为研究某离心轮内部疲劳裂纹扩展及其无损定量表征，开展了高速低循环旋转疲劳试验以及多种无损检测定量表征、断口分析、疲劳裂纹扩展仿真对比研究。研究结果表明：疲劳裂纹到达表面后，疲劳裂纹处于非稳定扩展阶段；20 000~21 700循环间，区间疲劳裂纹扩展速率仿真值与无损表征值接近；21 700~21 789循环间，区间疲劳裂纹扩展速率无损表征值比仿真值大2.5倍左右。疲劳裂纹在离心轮内部、夹杂缺陷区外扩展时，疲劳裂纹处于稳定扩展阶段；全聚焦法(TFM)超声检测和衍射时差(TOFD)超声检测能识别离心轮夹杂缺陷/疲劳裂纹内部扩展；0循环和6000循环时疲劳裂纹在夹杂缺陷区内，无损检测表征值均未发生变化；9000循环及之后，裂纹高度H和径向长度LR的TFM超声无损表征值出现明显的增大，变化与断口值相似但增幅偏小。     

考虑修正平均等效应力强度因子的焊点缺陷疲劳寿命研究

提出了一种基于超声回波的焊点缺陷疲劳寿命预测评价方法。该方法采用模糊数学理论,基于超声回波特征获得损伤系数,然后综合考虑法向应力、剪切应力和初始缺陷的影响,将焊点缺陷在裂纹扩展路径上的修正平均等效应力强度因子作为疲劳评价的参量。通过对DP600GI材料的合格焊点、焊核过小焊点和烧穿焊点的接头进行疲劳试验,比较不同缺陷对焊接疲劳寿命的影响,得到一条修正平均等效应力强度因子与疲劳寿命的拟合曲线作为含初始缺陷的焊点疲劳寿命预测曲线,研究结果表明,该曲线能有效预测含初始缺陷的点焊接头的疲劳寿命。该方法有助于合理设计电阻点焊的缺陷容限。     

基于临界距离法的含表面缺陷车轴试样疲劳强度预测

基于临界距离法进行含表面缺陷车轴试样疲劳强度预测研究。使用轴向疲劳试验测试光滑试样、环状V型缺口试样、孔洞缺口试样的疲劳极限,同时也测试了材料在应力比R=-1下的裂纹扩展门槛值。借助有限元计算,基于临界距离法预测含表面缺陷车轴试样的疲劳极限,并采用试验结果验证。研究结果表明,当基于临界距离法预测含表面缺陷车轴试样的疲劳极限时,临界距离法中的点法误差较大,而线法具有更高的预测精度,能够满足工程需求。该方法在对预测表面缺陷车轴疲劳强度上具有重要指导意义。     

TC4ELI钛合金疲劳裂纹路径偏折与寿命提升机制

作为深海载人装备结构的优选材料，TC4ELI(Extra-low-interstitial低间隙元素)钛合金的抗疲劳裂纹扩展性能至关重要。对TC4ELI的疲劳裂纹扩展行为进行系统测试与原位观测，同时选取传统TC4钛合金进行对比试验。结果显示，与TC4相比，TC4ELI具有更高的疲劳裂纹扩展寿命；同时，原位观察发现，TC4ELI的疲劳裂纹扩展存在明显偏折现象，导致裂纹路径比TC4更为曲折。进一步，综合利用微观表征手段对TC4ELI疲劳断口、材料组份、裂纹路径区域微结构进行系统的分析。在此基础上，利用有限元模拟计算裂纹扩展驱动力随偏折角度的变化规律，并分析裂纹偏折对TC4ELI疲劳扩展寿命的影响机理。研究对TC4ELI深海装备结构的损伤容限设计提供了参考。     

铁路货车转向构架B级铸钢的疲劳极限及损伤

研究中国铁路货车转向架B级铸钢的概率疲劳极限。研究中采用小子样升降法疲劳试验,揭示出该材料的疲劳裂纹主要萌生于铸造缺陷;在较低应力幅范围,裂纹扩展韧性有所降低,但仍呈现典型疲劳河流与阶梯状花纹及辉纹,并伴随有二次裂纹,属于韧性疲劳特征。视疲劳极限定义为期望寿命下服从正态分布的疲劳强度,应用极大似然法测定概率疲劳极限。与现有常规法、DIXON-MOOD法和ZHANG-KECECIOGLU法比较,证明极大似然法是唯一满足给定寿命的疲劳强度定义,效果良好的方法。针对其他方法,尤其是ZHANG-KECECIOGLU法,给出分散性与偏差较大的预测。     

转轴裂纹检测及寿命预测技术研究

机械产品中绝大多数机器都是在交变应力下工作，而材料或机件在长期交变应力下出现裂纹，随后失效的现象称为疲劳断裂破坏。实际构件中不可避免地存在材料缺陷和应力集中，而在这些地方往往萌生出来表面裂纹或龟裂纹。因此就发展了一种新的设计思想——损伤容限设计。即允许机件或构件在使用寿命中出现裂纹，但在下次检修前要保证一定的剩余强度，能持续正常使用，直至下次检修时能够发现，予以修复或更换。因材料中已存在初始缺陷，用断裂力学来预估随后的疲劳裂纹扩展寿命，必须首先确定出原初始缺陷尺寸和裂纹扩展规律，这是预估构件寿命…     

Cracking evolution behaviors of lightweight materials based on <Emphasis Type="Italic">in situ</Emphasis> synchrotron X-ray tomography: A review

Damage accumulation and failure behaviors are crucial concerns during the design and service of a critical component, leading researchers and engineers to thoroughly identifying the crack evolution. Third-generation synchrotron radiation X-ray computed microtomography can be used to detect the inner damage evolution of a large-density material or component. This paper provides a brief review of studying the crack initiation and propagation inside lightweight materials with advanced synchrotron three-dimensional (3D) X-ray imaging, such as aluminum materials. Various damage modes under both static and dynamic loading are elucidated for pure aluminum, aluminum alloy matrix, aluminum alloy metal matrix composite, and aluminum alloy welded joint. For aluminum alloy matrix, metallurgical defects (porosity, void, inclusion, precipitate, etc.) or artificial defects (notch, scratch, pit, etc.) strongly affect the crack initiation and propagation. For aluminum alloy metal matrix composites, the fracture occurs either from the particle debonding or voids at the particle/matrix interface, and the void evolution is closely related with fatigued cycles. For the hybrid laser welded aluminum alloy, fatigue cracks usually initiate from gas pores located at the surface or sub-surface and gradually propagate to a quarter ellipse or a typical semi-ellipse profile.     

基于断裂力学的机械结构件焊接节点疲劳性能研究

分析不同质量等级机械结构件焊接节点的缺陷和制作偏差，在节点应力分析的基础上，基于断裂力学分析方法。建立结构件在循环载荷作用下的裂纹扩展速率。通过疲劳实验并与规范进行比较，计算缺陷和制作偏差对结构件节点疲劳强度和疲劳寿命的影响。计算了具有不同初始缺陷和制作偏差的塔式起重机结构件的疲劳强度和疲劳寿命，提出缺陷和制作偏差的控制方法。     

集成铸造数值模拟的车轮疲劳分析

弯曲疲劳寿命是汽车车轮重要的性能指标,目前其预测方法仍局限于传统的名义应力法或局部应力应变法,没有考虑微观组织和铸造缺陷对疲劳寿命的影响,预测铝合金车轮在低应力水平下的高周疲劳寿命时与实际情况存在相当差距。基于小裂纹扩展理论,建立低压铸造铝合金A356-T6车轮的以二次枝晶臂间距、针孔尺寸为参数的疲劳寿命预测模型。实现铸造模拟、有限元分析与疲劳分析的集成,初步建立起综合铸造过程、铸造缺陷以及相关下游制造工艺对车轮力学性能影响的平台。以某型车轮为例,采用该方法预测其弯曲疲劳寿命,试验验证预测结果比Simth-Waston-Topper方法更为准确。     

基于疲劳裂纹形成曲线的裂纹扩展分析数值方法

通过损伤力学将裂纹形成与裂纹扩展两个过程有机结合在一起。根据裂纹形成阶段的疲劳曲线,获取损伤演化方程中的材质参量,通过损伤力学—有限元法,确定了裂纹扩展阶段中裂纹尺寸与载荷循环次数之间的关系,从而将裂纹萌生与扩展由当作两个独立过程纳入一个统一的理论体系。因此,在裂纹形成与裂纹扩展两阶段的任一试验数据已知的情况下,均可根据损伤力学—有限元法获取另一阶段数据,这就大大减少试验数量,并可弥补试验手册数据的不足。     

预滚压对含缺陷轮轨材料滚动接触疲劳性能的影响

对含缺陷的未预滚压和预滚压车轮钢试样分别进行滚动接触疲劳试验,观察表面缺陷的形貌变化过程,分析预滚压和缺陷尺寸对轮轨材料滚动接触疲劳性能的影响。通过有限元方法分析缺陷附近材料的应力状态,通过多轴疲劳模型分析缺陷尺寸对滚动接触疲劳裂纹萌生规律的影响。试验结果表明:由于表层材料的塑性变形,未滚压车轮试样的缺陷尺寸随滚动周次的增加而减小;超过一定周次后,由于塑性变形不再累积,缺陷尺寸基本保持不变;预滚压处理通过减小表层材料的塑性变形,可抑制缺陷尺寸的减小,从而降低车轮试样的疲劳寿命;缺陷尺寸的增加会进一步降低预滚压试样的疲劳寿命;在油润滑条件下,预滚压和表面缺陷对车轮材料摩擦磨损性能没有显著影响。仿真结果表明,当缺陷尺寸从200μm增加至400μm,最大剪应力幅值从缺陷底部转移至缺陷中部,疲劳裂纹萌生位置也随之改变。     

Fatigue strength depending on position of cracks for weldments

This is a study of fatigue strength of weld deposits with transverse cracks in plate up to 50 mm thick. It is concerned with the fatigue properties of welds already with transverse cracks. A previous study of transverse crack occurrence, location and microstructure in accordance with welding conditions was published in the Welding Journal (Lee et al., 1998). A fatigue crack develops as a result of stress concentration and extends with each load cycle until fatigue occurs, or until the cyclic loads are transferred to redundant members. The fatigue performance of a member is more dependent on the localized state of stress than the static strength of the base metal or the weld metal. Fatigue specimens were machined to have transverse cracks located on the surface and inside the specimen. Evaluation of fatigue strength depending on location of transverse cracks was then performed. When transverse cracks were propagated in a quarter-or half-circle shape, the specimen broke at low cycle in the presence of a surface crack. However, when the crack was inside the specimen, it propagated in a circular or elliptical shape and the specimen showed high fatigue strength, enough to reach the fatigue limit within tolerance of design stresses.     

Eddy current detection of subsurface defects for additive/subtractive hybrid manufacturing

In this study, an eddy current (EC) detector is integrated in an additive/subtractive hybrid manufacturing (ASHM) process. The detector facilitates in-process inspection and repair operations through material deposition, defect detection, and removal processes layer by layer. A feasibility test is carried out on eddy current detection of subsurface defects in additively manufactured parts by using an EC detector. The study compares the results obtained from the EC detection with those by the X-ray computed tomography and the destructive methods. Experiments and simulations are conducted to investigate the effect of excitation frequency on intensity of the eddy current signal. The effects of residual heat of an additively manufactured specimen and lift-off distance of an EC probe on impedance changes are also investigated. In addition, the effect of defect width on EC signal is analyzed. The study shows that the EC method is capable of detecting subsurface defects in the ASHM parts. It is promising to integrate the EC detection and subtractive manufacturing into additive manufacturing to produce parts with improved quality and better performances.     

激光冲击处理对曲轴疲劳强度的影响

利用激光冲击波对曲轴连杆轴颈圆角进行了强化处理,通过液压伺服疲劳试验研究激光冲击处理工艺对曲轴扭转疲劳强度的影响,利用X射线衍射法分析激光冲击处理后轴颈圆角处残余应力的分布规律,利用扫描电镜观察激光冲击处理表面微结构,分析激光冲击处理提高曲轴疲劳强度的微观机理。结果表明,激光冲击处理在曲轴圆角表面产生了残余压应力场,曲轴疲劳寿命显著提高,疲劳裂纹扩展速率大大降低;残余压应力场提高是激光冲击处理改善曲轴疲劳性能的主要机制。     

超高强度钢十亿周疲劳研究

利用20kHz压电超声疲劳试验技术，对六种抗拉强度高于1500MPa的低合金钢进行测试。结果表明，这些材料并不存在传统规范中所谓的“疲劳极限”，它们在超过10^7，甚至10^9应力循环后仍然继续发生破坏，而且其S－N曲线表现出“阶梯”型特征。研究还发现，这些材料都存在一个分界应力幅值区间（或应力循环数区间，大约在10^6到10^7的平台内），裂纹萌生由试件表面向其内部转换。实验证明了十亿周级超高周疲劳裂纹由试件内部萌生的机理。