基于裂纹萌生和扩展的渗氮钢疲劳寿命预测

以渗氮CrNiW钢的光滑试样和两种缺口试样为研究对象,开展超高周疲劳试验.观察渗氮CrNiW钢的疲劳断口显微组织,分析S-N曲线特性及失效机理,基于裂纹萌生模型和裂纹扩展模型计算渗氮CrNiW钢的萌生和扩展寿命,结合裂纹萌生和扩展寿命计算总疲劳寿命.结果表明:随应力集中系数增加,ΔKFGA小幅降低,ΔKfish-eye减小明显;应力幅值较低时,裂纹萌生寿命占总疲劳寿命的比例很高,裂纹扩展寿命占比很低,基本可忽略;模型预测的总疲劳寿命与试验结果较接近,除个别数据点外,预测结果均在2倍偏差内,预测较准确.     

40CrNi2Si2MoVA钢显微组织对冲击疲劳裂纹扩展速率的影响

本文研究了40CrNi2Si2MoVA超高强度钢在油淬和270℃等温淬火两种热处理状态下,显微组织对冲击疲劳裂纹扩展速率(稳态扩展区)的影响。结果表明,在应力强度因子△K较小时,等温淬火组织中da/dN较低,而在△K较大时,油淬组织中da/dN较低;这与在裂纹扩展不同阶段残余奥氏体(A_R)对da/dN的作用不同有关。     

炮钢的疲劳短裂纹性态

本文对高强度炮钢进行了有关物理短裂纹性态的试验研究,发现短疲劳裂纹的扩展特性具有异常性。在同一驱动力(△K)下,扩展速率比长裂纹来得快,门槛值低。分析指出:长、短疲劳裂纹门槛值具有△K_(th)~S=△K_(th)~L(a/a_0)~γ的关系;长、短裂纹分界尺寸a_0和有效裂纹l_0之间具有l_0=a_0~(2γ·a~(1-2γ-a))的关系。这些结果对于深入研究短裂纹问题无疑是有参考价值的。     

基于表面裂纹萌生与扩展的疲劳寿命预测模型

为了预测表面裂纹萌生与扩展的疲劳寿命,分别对渗碳CrMn钢的光滑试样与渗氮CrNi钢的光滑、缺口试样开展超高周疲劳试验,观察试样的疲劳缺口,分析试样的S-N曲线及疲劳损伤机理。考虑应力比、疲劳缺口系数与残余应力3种因素,构建更准确的裂纹萌生寿命预测模型,并对表面失效的裂纹萌生寿命进行预测。用Israel提出的裂纹扩展寿命预测模型计算裂纹扩展寿命,再将预测的裂纹萌生与扩展寿命相结合得到总疲劳寿命。结果表明：裂纹萌生寿命预测模型的预测结果与试验结果基本一致,构建的新模型较可靠。计算的总疲劳寿命与试验疲劳寿命相比,绝大部分都小于3倍误差,寿命预测较精准。     

Be-Al合金的机械性能

本文鉴定了62Be-38Al锻造合金和65Be-32Al-3Ni铸造合金的机械性能，在室温和高温条件下测定了其抗拉伸强度和延伸率，在室温下确定了其断裂韧性，其抗疲劳性依据室温下应力耐久性（S-N）与裂纹扩展应力速率强度范围（da/dN-△K）的关系来定性。并研究了以上所得到性能的试验结果的微观结构和裂纹路径。研究表明：该锻造合金与铸造合金的显微是由铍相颗粒分散在一铝相基体的组织所组成，在锻造合金中铍相颗粒在其压延方向上线性排列，而在铸造合金中，铍相颗粒粗颗且环绕铝相基体，并无方向排列，总之，锻造合金比锻造合金有更好的机械性能，包括抗疲劳性等。在室温下， 锻造合金有更好的机械性能，包括抗疲劳性等，在室温下，锻造合金在L-T方向和T-L方向上的条件平面应变断裂韧性分别为38.8MPa√-m和22.4MPa√-m。锻造合金在各种温度下，而锻造合金在高温下，进行抗拉强度试验，抗疲劳性试验和断裂韧性试验时，其裂纹路径倾向于沿着铝相和铝/铍相交界面区域。而在室温下对铸造合金进行抗拉强度试验，其裂纹穿过铍相和铝相。     

防弹钢板用高强Ni-Cr-Mo系焊接材料抗裂性研究

通过对1 500 MPa级以上30Mn Cr Ni Mo防弹钢板和配套的两种高强钢实芯焊丝进行斜Y型抗裂性试验,研究环境条件以及不同焊接热输入对高强钢实芯焊丝抗裂性的影响。结果表明:该防弹钢对冷裂纹敏感性很强,但是在不预热条件下,控制环境条件和热输入可以实现高强钢实芯焊丝在高拘束应力下,阻止裂纹的起裂与扩展;两种焊丝中,含Ni量高的焊丝抗裂性优于含Ni量低的焊丝。     

基于三维CT试样的X65钢裂纹扩展规律研究

海底管道是运输石油、天然气等战略资源最为安全和经济的方式,X65钢作为管道钢的主要制造材料,其稳定性和安全性备受关注.针对X65钢的疲劳裂纹扩展问题,建立三维紧凑拉伸(CT)试样的有限元模型,分别用扩展有限元法(XFEM)和专业裂纹扩展仿真软件模拟裂纹准静态和动态扩展过程,通过疲劳试验对模拟结果进行验证.结果表明:基于裂纹动态扩展的数值模拟结果更接近实际情况,通过疲劳试验测得的K值与裂纹动态扩展模拟值相差小于3％,而与XFEM和解析公式值在裂纹扩展后期相差6.8％.针对现行规范解析公式基于平面假设问题,提出一种适用于三维应力状态的标准CT试样裂尖应力强度因子计算改进公式,得到基于Paris公式的裂纹扩展速率线性拟合参数lgC=-8.2223,m=2.9664.     

Be-Al合金的机械性能

本文鉴定了62Be-38Al锻造合金和65Be-32Al-3Ni铸造合金的机械性能。在室温和高温条件下测定了其抗拉伸强度和延伸率，在室温下确定了其断裂韧性。其抗疲劳性依据室温下应力耐久性(S-N)与裂纹扩展应力速率强度范围(da／dN-△K)的关系来定性。并研究了以上所提到性能的试验结果的微观结构和裂纹路径。研究表明：该锻造合金与铸造合金的显微组织是由铍相颗粒分散在一铝相基体的组织所组成。在锻造合金中铍相颗粒在其压延方向上线性排列，而在铸造合金中，铍相颗粒粗糙且环绕铝相基体，并无方向排列。总之，锻造合金比铸造合金有更好的机械性能，包括抗疲劳性等。在室温下，锻造合金在L-T方向和T-L方向上的条件平面应变断裂韧性分别为38．8MPa√m和22．4MPa√m。锻造合金在各种温度下，而铸造合金在高温下，进行抗拉强度试验，抗疲劳性试验和断裂韧性试验时，其裂纹路径倾向于沿着铝相和铝／铍相交界面区域。而在室温下对铸造合金进行抗拉强度试验，其裂纹穿过铍相和铝相。     

钢在表面氧化处理中的应力腐蚀断裂研究

本文利用悬臂弯曲应力腐蚀试验方法,定量测试了40CrNiMo和30CrMnTi钢在表面氧化处理溶液中的应力腐蚀断裂门槛值K_(1scc)和K_1~--t_F曲线,在高温浓碱溶液中进行了动态裂纹的极化曲线测试和恒电位应力腐蚀研究。     

应力波载荷作用下弹塑性断裂全过程的动态分析

本文利用Hopkinson单压杆实验装置 ,对材料的弹塑性动态断裂特性进行了研究 ,建立了应力波载荷作用下动态裂纹起裂、扩展、止裂全过程的动态分析方法 ,采用该方法可同时测得材料的动态断裂韧性、裂纹扩展速度和止裂韧性。 90 7A钢三点弯曲试样的实验结果表明 ,该钢的动态裂纹扩展是先加速后减速过程 ,在 1 4 9× 10 7MPam /s的加载速率下 ,最大裂纹扩展速度为 2 36 13m/s ,动态断裂韧性和止裂韧性分别为JⅠd=5 5 2 .4 2kJ/m2 ,JIa=4 14 .0 5kJ/m2 .     

缺陷零件的剩余寿命计算

首先对影响零件裂纹扩展的原因进行了简要分析,指出了控制疲劳裂纹扩展速度的主要力学参量是应力强度因子幅值△k₁。进而对裂纹体的剩余寿命N_C进行了粗略叙述以及对其估算方法做了相应的推导,并用实例说明了其估算过程与分析方法,同时对其计算过程进行了讨论。     

机械结构使用寿命和检修周期

本文分析了常用的安全寿命设计法和损伤容限设计法,提出了结合两者进行可靠性设计的一种新方法。为获得具有一定存活率和置信度的安全裂纹形成寿命和安全裂纹扩展寿命,对分散系数作了论述。根据由若干关键元件组成的串联系统可靠性分析模型,建立了在指定可靠度下整体结构安全裂纹形成寿命和安全裂纹扩展寿命的关系曲线,从而合理地确定结构使用寿命和检修周期。     

基于XFEM的高强桥索钢丝冷拔裂纹扩展数值模拟

基于有限元软件Abaqus,采用扩展有限元法(XFEM)分析高强桥索钢丝冷拔过程的裂纹扩展,研究裂纹位置、裂纹角度、裂纹长度对裂纹扩展路径和裂缝宽度的影响.结果表明:冷拔过程裂纹基本符合I型扩展规律,裂纹位置、裂纹角度、裂纹长度对裂纹扩展路径无显著影响;裂纹位置越靠近中心、裂纹角度数值越小、裂纹长度越长时,裂缝宽度越大;裂纹位置越接近表面、裂纹角度数值越大、裂纹越长时,裂纹闭合越晚.此外,通过预应力冷拔机进行钢丝表面不同角度预制裂纹扩展试验,分析裂纹扩展规律并通过α-γ、α-δ曲线验证了数值模型的可靠性.     

奥氏体热模钢的热疲劳特性

测试了奥氏体热模具钢的热疲劳性能。通过改变钢中的Nb、Ni和Mn的含量,探讨了合金元素对热疲劳裂纹扩展速率的影响,并比较了时效温度的作用。结果表明,增加钢中的Nb和Ni,降低Mn含量可以减小热疲劳裂纹扩展速率;在650℃时效可得到比700℃时效更高的热疲劳抗力,并且随组合指标α_K/σ_b的增加,da/dN将减小。     

基于XFEM与Cohesive模型分析PBX裂纹产生与扩展

利用扩展有限元法(XFEM)分析PBX-9502带孔板状试件在整体压缩下由局部裂纹萌生到裂纹扩展全过程的开裂破坏机理。采用应力状态相关的强度面、非关联流动法则及Cohesive模型,描述了材料在复杂应力状态下的非线性本构行为以及材料的破坏行为。进行了数值模拟结果与美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)试验结果的对比。结果表明,含孔洞的平板在整体压应力环境下孔洞周围产生局部拉伸应力,这种拉伸条件导致局部裂纹萌生。数值模拟的裂纹发展趋势与试验结果相吻合,包括裂纹时程的整体走势和拐点、启裂时刻、裂纹初期扩展速度等。基于扩展有限元方法和内聚模型法,可模拟高聚物粘结炸药(PBX)含能材料的裂纹萌生、扩展。     

疲劳载荷下的裂纹扩展模型

基于裂纹尖端弹-塑性应力和应变的分析,提出一个疲劳裂纹扩展模型。模型表明,疲劳裂纹生长速率可以通过裂纹尖端区域的应力、应变来计算。应力、应变的计算是基于HRR理论解。文中假定第Ⅰ应变区宽度为X~*,它并不是一个材料常数,而是随外加应力的大小而变化,最小值与△J_(th)相对应,而最大值和△J_c相对应。模型不仅考虑了高应变区的累积损伤,而且也考虑了整个塑性区内的累积损伤,从而得到下列计算公式利用模型计算求得的疲劳裂纹扩展速率和实验值进行了比较,两者吻合颇好。     

HTPB推进剂/衬层粘接试件变形破坏过程试验与数值模拟

为得到粘接界面的力学行为和破坏模式,对HTPB推进剂/衬层粘接试件进行了单向拉伸宏观观察试验,获得不同拉伸阶段的变形图片,记录了界面破坏的全过程;使用界面元模型表征推进剂/衬层界面,数值模拟了粘接界面试件在单向拉伸作用下的脱粘过程。结果表明：界面拉伸变形破坏过程表现为裂纹的起裂、扩展和失效;粘接试件的拉伸应力-应变曲线表现出明显的非线性特征;数值计算结果与试验得到的应力-应变曲线及试件宏观变形失效形态一致。为得到粘接界面的力学行为和破坏模式,对HTPB推进剂/衬层粘接试件进行了单向拉伸宏观观察试验,获得不同拉伸阶段的变形图片,记录了界面破坏的全过程;使用界面元模型表征推进剂/衬层界面,数值模拟了粘接界面试件在单向拉伸作用下的脱粘过程。结果表明：界面拉伸变形破坏过程表现为裂纹的起裂、扩展和失效;粘接试件的拉伸应力-应变曲线表现出明显的非线性特征;数值计算结果与试验得到的应力-应变曲线及试件宏观变形失效形态一致。     

基于SPH算法对混凝土裂纹扩展研究

为研究混凝土在冲击载荷作用下的裂纹扩展,用非线性动力学软件AUTODYN-2D、扩展性Drucker-Prager强度模型,采用SPH算法对混凝土在冲击载荷作用下的裂纹形成过程进行数值模拟。分析混凝土在冲击载荷作用下的裂纹扩展情况,研究弹体不同速度对裂纹扩展的影响。结果表明,采用扩展性模型Drucker-Prager能够合理地描述混凝土裂纹的扩展现象。在本研究条件下,当速度小于650 m/s,混凝土裂纹扩展的最大直径随着速度的增加而增大;当速度大于650 m/s,混凝土裂纹扩展的最大直径呈先增大后不变的现象。     

残余奥氏体在工具钢中的作用

测定了9SiCr钢经不同热处理后的金相组织及残余奥氏体量,研究了残余奥氏体量及其机械稳定性对力学性能的影响。试验结果表明,通过分级淬火,可获得较多且稳定性较高的残余奥氏体,使材料的抗弯性能提高,疲劳裂纹扩展速率da/dN明显减缓。分析认为,这主要与残余奥氏体性能调节应力分布,降低缺口敏感度,阻碍疲劳紧纹扩展的作用有关。同时,马氏体基体形态也对力学性能起着重要的作用。     

固体火箭发动机裂纹流场的数值模拟

固体推进剂表面裂纹在对流燃烧的作用下可能会引起裂纹扩展,即使裂纹不扩展,它也增加燃烧表面积,影响发动机燃烧室流场分布,因此,确定裂纹内的压强变化情况及裂纹内火焰传播情况,无论对于裂纹扩展的研究还是对于发动机整个燃烧室内流场的研究都具有重要的意义.采用NND差分格式,对含裂缝推进剂裂纹内的燃气压强随外界条件的变化情况和裂纹内部火焰传播情况进行了仿真计算,得到了不同增压梯度,不同裂纹尺寸情况下,固体火箭发动机裂纹内流场的分布情况,并分析总结出不同因素对裂纹流场的影响规律.