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。     

钝缺口试样疲劳短裂纹形成与扩展

对两种晶粒尺寸的中碳钢钝缺口试样进行了对称拉疲劳试验，应用复型方法观察了疲劳理解纹沿缺口根部的早期形成与扩展过程；测量了表面裂纹形状随裂纹长度的变化规律。结果表明，试样的破坏是由形成于缺口根部表面的短裂纹扩展、裂纹间连接形成穿透裂纹，穿透裂纹扩则引起的。     

搅拌摩擦修复2A12铝合金的疲劳性能和裂纹扩展行为

对含预制裂纹的2A12铝合金板进行搅拌摩擦修复试验,并对修复后的试样进行热处理。对修复试样与修复后热处理试样分别进行疲劳寿命与裂纹扩展试验,研究其疲劳性能的变化。结果表明:热处理可使修复试样疲劳寿命延长34.79%,修复试样与修复后热处理试样分别达到母材寿命的36.98%和49.89%,裂纹扩展速率均比母材的快,但修复后热处理试样裂纹扩展速率较修复试样低。疲劳断口显示,母材裂纹源多萌生于表面或亚表面夹杂相,修复试样与修复后热处理试样裂纹源多萌生于修复区和母材的界面,且裂纹源通常不止一处。稳定扩展区修复试样的修复区没有河流花样的解理面,而热处理后试样出现与母材类似的致密紧凑疲劳条带。修复试样瞬断区中由大量细小的等轴韧窝组成,而修复后热处理试样韧窝大小不等,但分布均匀。     

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。     

重载条件下PD3淬火钢轨磨损机制试验研究

在赫兹模拟准则前提下,使用轮轨模拟试验机研究不同轴重下PD3淬火钢轨在重载和轻载工况下的滚动摩擦磨损性能。利用韦氏硬度仪、光学显微镜、SEM等分析试样试验后的硬度变化、塑性变形以及微观组织损伤等。试验结果表明:随着轴重的增加,试样磨损量大幅度增加,材料表面塑性变形更严重;试验后试样表面硬度均显著提高,且重载工况下产生了塑性变形型波磨,波峰及波谷处的硬度均高于轻载工况;重载下试样所受应力较大,内部组织破坏严重,裂纹扩展以产生二次甚至多次裂纹为主要形式,其中贯穿到表面的裂纹最终导致表面材料剥离掉落,而轻载下裂纹规整且多数以一根主裂纹形式沿着塑性变形流动方向扩展。轻载和重载下试样损伤形式均主要为滚动接触疲劳。     

PD3与U71Mn钢轨疲劳裂纹扩展特性研究

针对广深线铺设使用中已出现斜线状裂纹的PD3和U71Mn两种钢轨试样进行了成分、机械性能与微观形貌分析。结果表明：PD3钢轨的强度性能优于U71Mn钢轨的强度性能;U71Mn钢轨裂纹扩展角度比PD3钢轨的裂纹扩展角度要小;U71Mn钢轨在疲劳裂纹扩展中以沿晶和穿晶混合型扩展为主;而PD3钢轨试样的疲劳裂纹扩展主要以穿晶为主,裂纹更容易扩展,扩展速率更大。综合分析表明,U71Mn钢轨更适合于高速铁路铺设使用。     

低载强化后汽车结构件疲劳裂纹扩展速度研究

为了从微观上揭示汽车结构件经过低载强化后疲劳强度和疲劳寿命提高的原因和机理,本文利用扫描电镜,对某汽车前轴低载强化前后试样断口的疲劳裂纹扩展速度进行了对比研究。研究结果表明,经过低载强化后的汽车结构件断口试样,其贝纹线的增长趋势减弱,疲劳辉度间距变小。这些微观变化有效地延缓了疲劳裂纹萌生,降低了疲劳裂纹扩展速率,使汽车结构件的疲劳强度和疲劳寿命都得到提高。     

牙本质对牙釉质力学性能的影响

主要研究目的是考察牙本质层对牙釉质的相关力学性能的影响。采用压痕法测试原始试样和去除牙本质试样的断裂韧性,然后利用有限元分析法模拟牙釉质中裂纹的扩展过程,从而能对比分析试样裂纹扩展的动态过程。结果表明,去除牙本质之后牙釉质的断裂韧性明显降低;在相同的载荷下原始试样模型裂纹扩展的长度和时间都比去除牙本质试样模型的短。     

42CrMo4钢疲劳裂纹扩展时的残余应力及其变化

对４２ＣＣｒＭｏ４钢质调质试样疲劳裂纹扩展时的表面残余应力测定表明，在裂纹尖端前方和裂纹两则一定范围生成残余应力，裂纹尖端处压应力最大。随着裂纹的扩展压应力范围增大，最大压应力增加，表明残余应力始终处于一动态再分布过程中，与裂纹尖端区域的塑性变形直接相联系。裂纹扩展时残余应力的真实分布状态，按理想模型已不能作出圆满描述。由于裂纹尖端塑性变形区较小，选用合适的Ｘ线光栅孔长测的残余应力较为真实。     

PD3与U71Mn钢轨疲劳裂纹扩展特性研究

针对广深线铺设使用中已出现斜线状裂纹的PD3和U71Mn两种钢轨试样进行了成分、机械性能与微观形貌分析。结果表明：PD3钢轨的强度性能优于U71Mn钢轨的强度性能;U71Mn钢轨裂纹扩展角度比PD3钢轨的裂纹扩展角度要小;U71Mn钢轨在疲劳裂纹扩展中以沿晶和穿晶混合型扩展为主;而PD3钢轨试样的疲劳裂纹扩展主要以穿晶为主,裂纹更容易扩展,扩展速率更大。综合分析表明,U71Mn钢轨更适合于高速铁路铺设使用。     

高温蠕变条件下表面裂纹扩展行为分析

裂纹的存在及其扩展严重限制着高温承压部件的使用寿命,而目前对结构三维蠕变裂纹扩展行为的认识及其预测仍比较有限。以典型耐热钢P91为例,在650℃下对其开展了不同应力和不同初始裂纹尺寸的表面裂纹蠕变扩展试验,通过断面观察获得了蠕变裂纹扩展形貌演化,并采用基于多轴蠕变损伤模型的有限元法、基于蠕变裂纹尖端参量C^*的有限元法以及英国标准BS7910推荐的简化计算方法进行表面裂纹蠕变扩展分析。结果表明,基于多轴蠕变损伤模型的有限元法能够合理地描述裂纹最终轮廓并准确地预测裂纹扩展时间。相比之下,基于C^*的有限元法和BS7910简化计算方法计算的裂纹形貌预测有明显偏差,并且较依赖于紧凑拉伸试样的蠕变裂纹扩展试验数据及其拟合的参数C和q,易导致过于保守的裂纹扩展时间预测。评估了不同计算方法对于表面裂纹蠕变扩展行为的预测能力。     

表面疲劳短裂纹在残余压应力场中的扩展

研究Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８镍基合金表面短裂纹在喷丸残余应力场中的扩展行为。用扫描电镜中的疲劳加载装置对表面裂纹的闭合行为进行原位观察和测量。研究表明,表面短裂纹具有较穿透短裂纹更低的扩展门槛值,表面短裂纹的闭合与残余压应力场的大小和分布密切相关,残余压应力场中的表面短裂纹扩展及形状变化完全可以通过其闭合行为的变化进行解释。     

10CrNiMo结构钢悬臂弯曲加载低周疲劳表面裂纹的扩展特性

通过COD位移规控制悬臂弯曲加载试样表面裂纹前缘的应变,采用逐级递增应变的试验方法,研究了10CrNiMo结构钢的低周疲劳表面裂纹的扩展特性,并用扫描电镜对断口形貌进行了观察。结果表明:表面裂纹扩展速率与裂纹前缘总应变范围之间满足良好的幂律关系;裂纹源附近出现轮胎花样,裂纹扩展初期挤压严重,扩展中期发现较多的二次裂纹,扩展后期疲劳辉纹清晰可见,最后断裂区具有典型的韧窝;裂纹按照锐化-钝化机制扩展,最后断裂模式为韧性断裂。     

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。     

20CrMnTi齿轮钢疲劳裂纹扩展试验与数值模拟研究

为了研究20CrMnTi齿轮钢的疲劳裂纹扩展问题,首先,将材料20CrMnTi制成紧凑拉伸试样,在疲劳拉伸试验机上进行载荷比R=0.3的疲劳裂纹扩展试验;然后,应用数值模拟软件Abaqus对疲劳裂纹扩展过程进行数值模拟.结果表明,数值模拟结果和试验结果具有相同的变化趋势,二者的差别在误差允许范围内;数值模拟方法能够很好地描述紧凑拉伸试样疲劳裂纹扩展过程.为20CrMnTi齿轮钢疲劳裂纹扩展过程及疲劳寿命的研究提供了一种有效的试验和模拟分析方法.     

滚动轴承接触疲劳裂纹建模与扩展规律研究

针对滚动轴承的疲劳剥落损伤演化问题,采用扩展有限元方法研究疲劳裂纹扩展机理,通过算例验证了扩展有限元方法的可靠性。运用断裂力学理论建立了包含次表面初始裂纹的滚动接触疲劳扩展有限元模型,分析了初始裂纹倾斜角度、所处深度和初始裂纹长度对次表面裂纹生长到表面的扩展路径影响机制,通过分析应力强度因子变化研究了裂纹扩展机理。研究结果表明,次表面疲劳裂纹以滑开型裂纹扩展模式为主;初始裂纹角度对疲劳裂纹扩展路径影响较大,初始裂纹角度在15°～45°时裂纹会转向表面发展而形成疲劳剥落;初始裂纹尺寸和深度对裂纹扩展路径形貌的影响较小,但会影响裂纹扩展的难易程度。     

表面疲劳短裂纹在钱余应力场中的扩展

研究Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８镍基合金表面短裂纹在喷丸残余应力场中的扩展行为。用扫描电中的疲劳加载装置对表面裂纺的事行为进行原位观察和测量。研究表明，表面短裂纹具有较穿透短裂纹更低的扩展门槛值，表面短裂纹的闭合与残余压应力场的大小和分布密切相关，残余应力场中的表面短裂纹扩展及开关变化完全可以通过其闭合行为的变化进行解释。     

轴承套圈强化研磨表面残余应力试验研究

结合疲劳裂纹扩展原理,分析残余压应力对材料表面的疲劳裂纹扩展速率的影响。采用电磁无心夹具对轴承套圈进行定位,利用新型轴承强化研磨机对轴承套圈表面进行加工,基于X射线衍射法测定轴承套圈加工后的表面残余应力。试验结果表明,强化研磨加工使轴承套圈表面的残余压应力增大,提高工件服役可靠性。     

表面形变强化层中裂纹的萌生与扩展

研究了缺口根部强化层中疲劳裂纹的萌生与扩展。结果表明疫劳性能的提高主要归因于喷丸引起的缺口根部残余压应力,其能提高裂纹的闭合力,延缓短裂纹的扩展速率,而对萌生的作用极微。工作应力低时可出现非扩展裂纹。在残余压应力场中长裂纹的扩展可用Newman改进模型进行计算。在残余压应力峰值位置出现最大闭合力和最小裂纹扩展速率,计算和实测值基本一致。     

考虑裂纹闭合效应的疲劳裂纹扩展有限元分析

由材料塑性诱发的裂纹闭合效应对疲劳裂纹扩展的影响显著。针对紧凑拉伸试样，通过构建其有限元模型，同时考虑塑性诱发的裂纹闭合效应，采用恒幅循环加载方式，对试样裂纹扩展区域内节点位移和反力进行计算与处理，获得了裂纹张开载荷，并讨论了网格尺寸、节点释放时刻、监测点位置等对裂纹张开载荷的影响；对于稳定的裂纹张开载荷，探讨了基于节点反力的线性插值计算方法，可获得更加精确的数值，研究成果对疲劳裂纹扩展分析和寿命预测具有参考价值。