高应变区SCT试样闭合效应研究

本文对两组材料为CF6钢，不同孔径的SCT试样进行了疲劳裂纹扩展的闭合效应测定，试验采用裂纹嘴张开位移和裂纹尖端附近张开位移曲线两种测量方法来测量裂纹闭合效应参数Uop,Ucl，通过对同组两试样的比较，得出了SCT试样高应变塑性区疲劳裂纹闭合效应参数。     

16MnR钢过载峰作用下的疲劳裂纹扩展行为研究

基于有限元法和Jiang-Sehitoglu循环塑性本构模型,动态模拟单个过载峰作用下裂纹扩展中的裂纹闭合行为。提取不同加载工况下的裂纹闭合和张开载荷,并考察不同工况和不同裂纹长度对裂纹闭合和张开载荷的影响。根据详细的裂纹闭合分析结果,研究单个拉伸过载下疲劳裂纹在不同阶段的扩展行为与裂纹闭合的对应关系,认为过载后裂纹闭合行为的改变是引起裂纹扩展行为改变的主要机理。根据有限元分析结果,提出一种改进的等效应力强度因子范围的计算方法,将其作为疲劳裂纹在整个扩展过程中的驱动力。拟合出单个过载峰作用下16MnR材料的裂纹扩展速率的预测公式,并将预测结果与试验结果进行对比,结果吻合。     

1Cr11Ni2W2MoV钢疲劳裂纹闭合与试样类型的相关性

压力容器材料的疲劳裂纹扩展门槛值在预测服役寿命方面具有重要意义,而门槛值的准确测定常受到裂纹闭合的影响。为了验证采用角裂纹(CC)试样测定疲劳裂纹扩展门槛值时是否受裂纹闭合影响,采用1Cr11Ni2W2MoV钢加工了角裂纹试样和紧凑拉伸(C(T))试样,在室温下开展了疲劳裂纹扩展门槛值试验,并测定了门槛值对应的载荷-裂纹张开位移曲线。通过扫描电子显微镜对断口形貌中由裂纹闭合产生的磨损痕迹进行了观察。结合试验结果分析了两种试样类型的裂纹闭合程度及成因。通过CC试样测定的门槛值与C(T)试样相近或更小。在所测试4个CC试样中,仅有一个出现了足以影响裂纹扩展驱动力的裂纹闭合现象,而在所有测试的C(T)试样中均观察到了裂纹闭合。CC试样可用于疲劳裂纹扩展门槛值试验,并在当前试验条件下获得了接近理想门槛值的结果。     

疲劳裂纹闭合的数值模拟方法

用弹塑性有限元法模拟含中心裂纹试件在等幅循环拉伸应力作用下的疲劳裂纹扩展过程,对塑性变形导致的裂纹闭合效应进行了分析。试件材料为2024-T351铝合金板,平面应力状态,线性随动强化假设。分析中考虑裂纹面的弹塑性接触和几何非线性变形,通过逐步释放裂尖节点来模拟裂纹扩展。考察了裂尖局部网格单元尺度、裂纹长度和平均应力对裂纹张开/闭合应力水平的影响。裂纹闭合效应会随疲劳裂纹长度增加而逐渐增强,呈先爬升再缓慢下降的趋势,应力比的增大会导致裂纹张开/闭合应力水平提高。此外,网格细度也对张开/闭合应力的大小有一定影响。     

SCT试样高应变区疲劳裂纹扩展规律研究

本文研究了SCT试样高应变区的疲劳裂纹闭合效应和疲劳裂纹扩展速率。结果表明:高应变塑性区的存在对疲劳裂纹扩展有较大延缓作用,疲劳裂纹扩展速率可用经U修整后的δ和Paris公式表示,结果与标准试样的结果较为吻合。     

耐热钢CrMoCoV表面裂纹疲劳扩展试验及考虑闭合效应的数值分析研究

表面裂纹是高温结构服役过程中的常见缺陷形式,研究其在疲劳载荷下的扩展行为和规律是结构完整性评价的重要内容。开展了耐热钢CrMoCoV(FB2钢)含表面裂纹试样的疲劳试验,基于Zencrack软件,并考虑闭合效应修正进行了表面裂纹疲劳扩展的数值分析。结果表明,考虑裂纹闭合效应的模型,可以用于表面裂纹疲劳扩展行为的预测。     

变幅载荷下的钢板弹簧疲劳裂纹扩展研究

钢板弹簧疲劳裂纹在变幅载荷作用下的扩展预测模型主要是Schütz疲劳裂纹扩展模型,但此模型未考虑裂纹闭合效应对疲劳裂纹扩展的影响,忽略了参数C和n随应力比的联系,疲劳裂纹门槛值△Kth也只考虑应力比为0的特殊工况.因此对Schütz疲劳裂纹扩展唯象模型进行修正,使修正后的模型各参数物理意义更加明确,适用于不同的工况.并将实车试验所测的应力幅值运用于修正后的模型,表征变幅载荷作用下钢板弹簧疲劳裂纹扩展进程.表明加载幅值增大,疲劳裂纹扩展速率加快,试验结果与模型预测结果良好吻合,为变幅载荷作用下疲劳裂纹扩展速率的计算提供了理论依据.     

球墨铸铁疲劳裂纹扩展的微观机制

研究了在恒幅拉伸循环载荷作用下球铁的疲劳裂纹扩展的微观机制，分析了石墨形态对铸铁疲劳裂纹萌生及扩展行为的影响。结果表明：铸铁的石墨形态对疲劳裂纹的萌生及扩展有很大影响。灰铁由于在共晶团内石墨片相互连接，疲劳裂纹总是沿着与外应力相垂直的石墨片／基体边界扩展。球铁的疲劳裂纹扩展受基体组织及石墨形态所左右，但在石墨球／基体界面产生的滑移带、塑性区及裂纹尖端钝化区决定着疲劳裂纹萌生及扩展的整个过程。球铁的疲劳裂纹扩展规律是：裂纹连续扩展—急速扩展—裂纹尖端钝化—重新诱发裂纹—连续扩展。     

对2024铝合金疲劳裂纹扩展寿命进行预测

通过二维弹塑性有限元计算得到Ⅰ型静态裂纹在常幅疲劳载荷下裂纹尖端塑性应变能,进而获得裂纹尖端塑性应变能和应力强度因子幅值的非线性关系;根据能量平衡概念,建立了裂纹扩展速率与裂纹尖端塑性应变能的关系。由此得到一种基于裂纹尖端塑性应变能的疲劳裂纹扩展寿命预测模型,利用该模型预测了中心裂纹平板的疲劳裂纹扩展寿命,预测结果与试验值吻合得很好。     

焊趾位置表面裂纹疲劳扩展形状计算

针对结构中出现的表面裂纹诱发断裂现象,利用断裂力学理论中裂纹尖端应力强度因子与裂纹扩展能量释放率的关系,依据裂纹扩展时裂纹前沿各点的有效能量释放率相等,在考虑裂纹闭合效应的基础上提出一种表面裂纹扩展形状演化计算方法。采用提出的方法计算了T型焊接结构焊趾位置表面裂纹在拉伸疲劳载荷作用下的表面裂纹形状参数函数关系,模拟出表面裂纹疲劳扩展时的形状演化过程。进行了T型焊接试件的表面裂纹扩展有限元模拟和试验,结果与理论计算结果基本一致,验证了基于能量释放率的结构表面裂纹疲劳扩展形状演化计算方法的有效性。     

16Mn钢短裂纹疲劳扩展性能的试验研究

通过对带有表面盲孔的16Mn钢圆棒试样的疲劳试验,获得了试样盲孔边缘疲劳短裂纹的扩展规律。文中给出了有关试验结果,藉此建立了短裂纹表面长度与疲劳循环数间的关系以及裂纹扩展速率与疲劳载荷和裂纹尺寸之间的定理描述式。本文结果有助于加深对16Mn钢试样疲劳损伤过程的认识。     

疲劳近门槛值区裂纹扩展模式变化的试验研究

利用扫描电镜观察疲劳门槛值区试样的裂纹表面形貌,研究了疲劳门槛值区裂纹扩展模式的分布,分析了裂纹扩展模式的变化对疲劳裂纹扩展速率da／dN的影响。结果表明,断口形貌存在面型断裂（沿晶或穿晶）（Faceted Fracture,FF）,面型断裂分数（Percentageof Faceted Fracture,PFF）最大值出现在循环塑性区尺寸接近原始奥氏体晶粒直径时。通过比较循环塑性区尺寸与晶粒尺寸,随着应力强度因子幅值AK的降低,裂纹先以辉纹型模式扩展,在PFF达到最大值后,裂纹以晶体学模式扩展。辉纹型模式扩展时,PFF的变化对da／dN影响不大;晶体学模式扩展时,由于FF诱发裂纹闭合,从而降低da／dN。     

拉压载荷对疲劳裂纹扩展影响的有限元分析

利用弹塑性有限元方法研究了压应力对裂纹尖端塑性区的影响和长短裂纹尖端的塑性区和裂纹张开剖面.通过分析表明,压应力对裂纹尖端塑性区和疲劳裂纹的扩展有显著的影响.     

随机超载下疲劳裂纹扩展的模拟计算

采用蒙特卡罗法对随机超载作用下的疲劳裂纹扩展进行模拟计算。载荷谱为在基本循环载荷基础上加入一以泊松流发生的随机超载序列．超载的大小为均匀分布。相邻两次超载发生的时间间隔通过一系列相互独立、服从指数分布的随机数进行模拟。采用Wheeler模型考虑超载的迟滞效应，计算出每一载荷循环的裂纹扩展量。由此模拟出裂纹从初始长度一直到疲劳破坏的扩展曲线。通过大量样本的模拟计算，获得随机超载作用下疲劳裂纹扩展寿命的平均值与标准差。最后研究超载发生强度和大小对疲劳裂纹扩展寿命的影响。     

对塑性诱导裂纹闭合几种影响因素的计算研究

基于塑性诱导裂纹闭合原理,通过弹塑性有限元方法的大规模数值计算分析,考察几何构形(带中心裂纹矩形板和中心孔双边裂纹矩形板)、材料强化模型(线性随动强化和非线性随动强化)、加载方式(等幅循环加载和等应力强度因子K循环加载)和应力比R等因素对疲劳裂纹张开、闭合规律的影响。结果表明,等幅加载中裂纹张开、闭合应力水平随裂纹长度变化且无明确规律可循。而在等K(给定应力比下保持最大应力强度因子不变)加载中,无论是使用不同材料强化模型,还是对应不同几何构形,用瞬时最大应力正则化的裂纹张开、闭合应力水平与裂纹长度无关。相同等K加载条件下,两种几何构形的裂纹张开应力强度因子均保持恒定且大小相近。两种随动强化模型对应的裂尖局部循环特性有差异,所获得的裂纹张开应力水平大小不同,但变化规律相似。文中结果可为更深入地理解疲劳裂纹扩展的驱动力机理提供帮助。     

基于试验数据的疲劳裂纹扩展门槛值研究

试验确定门槛值是最常用和最基本的方法,裂纹闭合使其准确性受到质疑。文中总结基于试验数据确定门槛值的方法,依据高低压一体化转子材料的疲劳门槛值试验和疲劳裂纹稳定扩展数据,对不同确定方法进行比较。结果发现高压端(high-pressure zone,HP)门槛值比低压端(low-pressure zone,LP)大,最大载荷法、简易方法和近似公式确定的门槛值偏大,而由Paris公式直接外推所得门槛值过小,近似公式计算的门槛值准确性不高。通过分析晶粒尺寸对裂纹扩展路径的影响,认为高压端与低压端门槛值不同是由于裂纹闭合程度不同引起的,粗糙度诱发裂纹闭合占主导作用。     

压缩循环载荷下疲劳裂纹扩展的实验研究

通过对零－压载荷下的疲劳裂纹扩展试验。研究ＬＹ１３ＣＺ试件在压缩循环载荷下的裂纹扩展规律。发现在压缩循环载荷下疲劳裂纹可以扩展，但不铳即发生休眠。其休眠长度与反复塑性区的尺寸相当。     

单峰过载对工业纯钛CT试样裂纹闭合效应的影响

基于数字图像相关技术,使用非线性迭代法拟合工业纯钛CT试样表面位移场,获得了过载前、过载时、过载后循环的裂纹尖端位置随载荷的变化规律.使用数字图像相关技术获取裂纹张开位移,通过间接法测量裂纹张开力,进而研究过载对裂纹闭合效应的影响.对比过载前一循环与过载循环在卸载状态下裂纹尖端附近区域的应变场,结合裂纹尖端位置随载荷的变化规律及相对应循环的裂纹张开力,分析可知:过载在裂纹尖端附近区域产生较大塑性变形,即使卸载后仍在较大程度上得到保留,从而使裂纹闭合效应减弱,导致过载后裂纹尖端位置随载荷的变化规律与过载前明显不同,且力-位移曲线也未出现显著的转折点.     

冲击和非冲击疲劳载荷下过载对随后裂纹扩展的影响

对12CrNi3A钢在冲击和非冲击疲劳载荷下的过载裂纹扩展延迟效应的研究表明:过载对随后裂纹扩展的影响不仅取决于过载力作用下的裂尖塑变,还取决于随后基载力作用下的裂尖塑变。过载对随后裂纹扩展的影响存在两个互为矛盾的方面:一是裂尖塑变损伤促进裂纹扩展:另一则是产生的裂尖残余压应力场和闭合效应延缓裂纹扩展,两方面共同作用结果才能最终决定对随后裂纹扩展的影响。相同条件下,冲击疲劳载荷下的延迟期M_d高于非冲击疲劳载荷下的延迟期。     

循环载荷下热疲劳裂纹的应力强度因子

为揭示循环温度载荷对热疲劳裂纹应力强度因子的影响规律,考虑材料的多线性塑性随动强化性质,用有限元法计算多种循环载荷作用下裂尖点的应力-应变和热疲劳裂纹的应力强度因子。该应力强度因子值由裂尖附近压缩塑性应变的累积量决定。压缩塑性应变对温度载荷的作用次序敏感,因此应力强度因子也受到温度载荷的作用次序的影响。恒温度幅循环条件下,如果不考虑裂纹扩展,热疲劳裂纹的应力强度因子不随循环次数变化。变温度幅循环条件下,低温循环不会影响其后的高温循环应力强度因子;高温循环却影响其后的低温循环应力强度因子,并使得低温循环的应力强度因子与高温循环的应力强度因子相同,因此突发的高温载荷严重威胁高温构件的寿命。热疲劳裂纹扩展试验证明了有限元计算结果的正确性。