镁合金疲劳行为的研究现状及展望

简要介绍了镁合金在疲劳加载条件下的循环应力响应行为、疲劳裂纹萌生与扩展行为以及疲劳断裂的微观特征，分析了镁合金的显微组织、冶金和表面状态等材料内在因素以及环境、温度等外部因素对镁合金的疲劳强度、疲劳寿命、疲劳裂纹扩展速率的影响规律，指出了机械抛光、喷丸处理、表面滚压等表面机械加工方法以及适当的热处理均可有效地提高镁合金的疲劳强度和疲劳寿命.此外，也对镁合金疲劳行为的未来研究方向和发展趋势进行了展望.     

超声加载条件下低合金钢疲劳裂纹扩展寿命

对低合金钢q345狗骨型试样进行了超声疲劳试验,应力比R=-1,研究其在超高周区域内的疲劳寿命特性及破坏机理。试验过程中发现试样疲劳裂纹的扩展会导致试样固有频率的降低,通过有限元模态分析确定了试样断裂瞬间固有频率大小与表面裂纹尺寸的关系,经过对比发现,有限元得到的裂纹半径与断口分析测出的裂纹大小十分吻合。根据实验过程中固有频率的减少情况预测了试样超高周疲劳裂纹扩展寿命的大小,发现其占到疲劳总寿命大小的0.2%～0.5%。     

16MnR钢超高周疲劳性能实验

用超声振动疲劳技术研究了16MnR钢的高周与超高周疲劳性能。实验在室温下进行,应力比R=-1,频率20kHz,采用狗骨形试样。试验获得了16MnR钢在10^5～10^9范围内的疲劳寿命曲线（S-N曲线）,结果发现曲线呈缓慢下降趋势,在10^7周次以后,试样仍未发生疲劳破坏,不存在传统意义上的疲劳极限。用电子扫描电镜对16MnR的高周和超高周疲劳断口进行了微观观测,结果发现,疲劳裂纹萌生于试样表面,未观察到含铁材料通常在超高周实验中出现的“鱼眼”现象。     

镁合金疲劳行为的研究现状及展望

简要介绍了镁合金在疲劳加载条件下的循环应力响应行为、疲劳裂纹萌生与扩展行为以及疲劳断裂的微观特征，分析了镁合金的显微组织、冶金和表面状态等材料内在因素以及环境、温度等外部因素对镁合金的疲劳强度、疲劳寿命、疲劳裂纹扩展速率的影响规律，指出了机械抛光、喷丸处理、表面滚压等表面机械加工方法以及适当的热处理均可有效地提高镁合金的疲劳强度和疲劳寿命．此外，也对镁合金疲劳行为的未来研究方向和发展趋势进行了展望．     

CrMoW转子钢高温超高周疲劳与微观组织研究

利用旋转弯曲疲劳试验机,进行超超临界汽轮机CrMoW转子钢在常温与600 ℃条件下超高周疲劳行为的研究。采用透射电子显微镜TEM和扫描电子显微镜SEM分析试样疲劳前后显微结构以及试样的表面与断口。研究结果发现,常温下的S-N曲线在疲劳寿命为5×106周次处出现拐点,但600 ℃条件下,S-N曲线呈现连续下降趋势。高温疲劳后材料的显微组织仍为典型的马氏板条体结构,但马氏体组织退化明显,出现板条碎化,板条界移动或者吞灭,位错密度下降,碳化物粗化、球化以及链状分布等现象。SEM分析表明,高温试样表面产生氧化膜,降低了试样的疲劳性能。常温与600 ℃下,疲劳裂纹主要萌生于试样表面,高温下试样裂纹萌生区发现夹杂,其裂纹萌生是表面裂纹起源和亚表面夹杂物相耦合的结果。     

DZ125合金超高周疲劳微观裂纹萌生机制

DZ125合金具有优良的综合性能表现,已被广泛应用于燃气涡轮高温部件的铸造。关于DZ125合金的疲劳问题研究已有较多文献报道,但从微观断口分析的角度系统阐述该合金超高周疲劳裂纹萌生及失效机制的研究则相对较少。通过研究发现,随着疲劳强度的降低,疲劳数据离散性有增大的趋势;较小的疲劳应力（小于220 MPa）所对应的疲劳寿命并未有明显增加,上述特征与疲劳微观裂纹萌生机制的改变直接相关。在高应力作用下,疲劳裂纹倾向于从材料的表面或次表面萌生,巨型二次裂纹成为其断口形貌的主要特征;在低应力状态下,材料内部的孔洞缺陷是疲劳裂纹萌生的主要区域,并严重影响材料的疲劳寿命。驻留滑移带（PSB）可导致表面粗糙区的形成,成为裂纹尖端的主要特征。主裂纹与其他二次裂纹存在竞争关系,并最终引起疲劳断裂的发生。基于Murakami公式,DZ125合金在裂纹萌生阶段的平均应力强度因子为3.15 MPa·m^1/2,裂纹快速扩展阶段的平均应力强度因子和材料的断裂韧性（K_IC）分别为7.72和15.70 MPa·m^1/2。     

超声加速疲劳实验研究

通过20kHz压电超声加速疲劳试验机对多种金属材料进行测试，实验地证明了超高周疲劳裂纹往往从试件内部萌生的机制，试件在超过10^7周应力循环后继续发生破坏，研究还发现，材料超高周疲劳的S－N曲线可以表现出另两种有别于传统规范的10^7 极限型，即持续下降型和阶梯下降型。还总结了近年来超声疲劳的研究进展，结合作者多年国外的研究工作，着重从加速超声试验设备的发展，多种材料及条件下的实验研究结果及其重要结论作了概述与讨论。     

GH80A镍合金电子束焊接接头旋转弯曲高周疲劳行为研究

随着镍合金电子束焊接在工业中的大量应用,尤其是在航空发动机和燃气轮机等关键长寿命服役设备中的使用,有必要对镍合金电子束焊接接头的高周疲劳属性和断裂机理进行系统的分析研究。本文利用旋转弯曲高周疲劳试验机进行疲劳试验,获得了母材和焊接接头的应力-寿命(S-N)曲线和疲劳断口,同时利用扫描电镜（Scanning Electron Microscope,SEM）对疲劳断口进行了微观特征分析,确定了母材和焊接接头在不同应力幅下的疲劳裂纹萌生区和扩展区,分析了裂纹萌生区位置与应力幅的相互关系。最后,利用有限元分析了焊接接头热影响区微裂纹位置与大小对材料疲劳性能的影响。从现有的试验和模拟结果可以得到：1)母材和电子束焊接接头应力-寿命(S-N)曲线分布趋势一致,但焊接接头疲劳强度要低于母材,在靠近107周次时,两者疲劳强度差距最小;2)在高应力幅（低周疲劳寿命阶段）母材和焊接接头的疲劳裂纹均起源于试件表面并且都是多点萌生断裂,焊接接头疲劳断口位置位于焊接熔合区或热影响区;3)在低应力幅（高周疲劳寿命阶段）疲劳裂纹在试件次表面萌生,焊接接头疲劳断口位于热影响区或焊接母材靠近热影响区处;4) 通过有限元模拟发现微裂纹的存在有利于裂纹的扩展。在拉应力作用下,横向微裂纹更优于纵向裂纹沿着应力方向进行裂纹扩展;随着微裂纹尺寸增大,微裂纹间更易于相互贯通,形成更长的裂纹,从而降低了材料的疲劳性能。综上可知,电子束焊接仅仅影响材料的疲劳强度。疲劳断裂机理和母材一致都为穿晶解理断裂,疲劳裂纹萌生区域位置也和母材一样都受应力幅的直接影响。     

疲劳裂纹的跨尺度分析

为了准确模拟正交异性钢桥面板疲劳裂纹扩展行为,提出基于约束应力区的三维表面半椭圆跨尺度裂纹模型.采用有限元法求解应力强度因子,将跨尺度应力强度因子作为疲劳裂纹从微观到宏观扩展的控制参量,使用统一模型描述正交异性钢桥面板疲劳破坏全过程.对正交异性钢桥面板的疲劳失效行为进行数值模拟,并与试验应力-寿命曲线进行对比分析.结果表明:疲劳裂纹扩展跨尺度模型能正确反映正交异性钢桥面板纵肋与桥面板焊接部位的疲劳破坏过程,并可模拟疲劳裂纹扩展从微观到宏观的跨尺度行为.由于微观效应对疲劳寿命有显著影响,当考虑到材料的微观效应时,该模型可解释疲劳寿命试验数据的离散现象.     

Q235、Q345钢结构材料的低周疲劳性能

对Q235、Q345钢的低周疲劳性能进行了研究。采用轴向应变控制方法,在岛津电液伺服疲劳试验机上测定了2种钢低周疲劳过程中的循环应力响应特征、循环应力与应变的关系,通过拟合Basquin公式和Coffin-Manson公式得到了2种钢的疲劳寿命公式,据此计算了Nf=100周时的循环能量吸收率σa.Δεt值,并与别的钢筋进行了比较。通过断口扫描发现,Q235钢裂纹起源于试样表面,由于第二相质点和夹杂物的存在,形成微孔洞和微裂纹,互相连接形成疲劳断裂;Q345钢裂纹起源于表面,然后通过不断扩展形成微裂纹,再连接成宏观裂纹,最终导致材料断裂。     

SEM in-situ investigation on fatigue cracking behavior of P/M Rene95 alloy with surface inclusions

The low-cycle fatigue behavior of powder metallurgy Rene95 alloy containing surface inclusions was investigated by in-situ observation with scanning electron microscopy （SEM）. The process of fatigue crack initiation and early stage of propagation behavior indicates that fatigue crack mainly occurs at the interface between the inclusion and the matrix. The effect of inclusion on the fatigue crack initiation and the early stage of crack growth was very obvious. The fatigue crack growth path in the matrix is similar to the shape of inclusion made on the basis of fatigue fracture image analysis. The empiric relation between the surface and inside crack growth length, near a surface inclusion, can be expressed. Therefore, the fatigue crack growth rate or life of P/M Rene95 alloy including the inclusions can be evaluated on the basis of the measurable surface crack length parameter. In addition, the effect of two inclusions on the fatigue crack initiation behavior was investigated by the in-situ observation with SEM.     

高速列车用高强铝合金疲劳断口的特征

通过宏观拍照和扫描电镜对A7N01高强铝合金T型焊接接头的疲劳断口进行了研究,揭示了该铝合金疲劳裂纹萌生与扩展的特征.铝合金的疲劳断口可明显划分为疲劳裂纹源区、裂纹稳定扩展区和瞬断区3大区域.疲劳裂纹从T型焊接接头的焊趾处萌生并向接头中心线扩展,疲劳裂纹扩展区可以观察到疲劳破坏的一些典型特征,瞬断区的断口形貌与拉伸断裂相似,形成不平坦的粗糙表面.     

Fatigue cracking characterization of high grade non-oriented electrical steels

The fatigue behavior of 30WGP1600 non-oriented electrical steel, which is generally used in the motors for electrical vehicles, was investigated. The detailed microstructure and dislocation configurations of the fatigue specimens were examined by OM, SEM, and TEM. The test results showed that fatigue cracks were commonly initiated from the surface grain boundaries, crystals plane, and inclusions. The rapid fatigue crack propagation was characterized by transgranular cleavage fracture, while most transient fracture exhibited ductile tearing characteristics. After cyclic deformation of the non-oriented electrical steels, various dislocation structures, such as short and thick lines, veins, persistent slip bands, cells, and labyrinth, were observed.     

TC4钛合金的疲劳裂纹扩展Walker公式

为了研究不同应力比下TC4钛合金疲劳裂纹扩展特性,用Warker公式来描述不同应力比下的疲劳裂纹扩展速率.按照标准试验方法,试验加载应力比分别为0.06,0.5,0.7.利用递增多项式数据处理的计算程序,绘制了铸造TC4钛合金疲劳裂纹扩展速率曲线,并对疲劳断口进行扫描分析,计算Walker公式下的材料常数.结果表明,当应力比R≥0时,疲劳裂纹扩展速率随应力比的增大而增大,表现为疲劳条带间距增大.计算得材料常数m为4.082 16,n为-0.023 91,C为6.963 04×10-7.     

<Emphasis Type="Italic">In-situ</Emphasis> investigation on the fatigue crack propagation behavior in ferrite-pearlite and dual-phase ferrite-bainite low carbon steels

The purpose of this study was to describe the roles of microstructure types and grain boundary characteristics in fatigue crack propagation behavior in ferrite-pearlite steel and ferrite-bainite steel.The ferrite-bainite dual-phase steel was obtained by intermediate heat treatment conducted on ferrite-pearlite low carbon steel.This paper presents the results from investigation using constant stress-controlled fatigue tests with in-situ scanning electron microscopy(SEM),electron backscattering diffraction(EBSD) and fatigue fractography analysis.Microscopic images arrested by in-situ SEM showed that the second hard bainite phase distributed in the soft ferrite matrix had a significant effect on preventing the cracks opening compared with pearlite,and that the cracks in ferrite-bainite steel were "locked" in the second hard bainite phase while the crack propagation path in ferrite-pearlite steel was more tortuous.Moreover,the fatigue fracture surface analysis and the coincidence site lattice(CSL) obtained by EBSD indicated that low-CSL grain boundaries in ferrite-bainite steel distributed more uniformly,which has a more significant effect on the resistance of crack propagation.It was revealed that ferrite-bainite dual-phase microstructures could inhibit the fatigue crack propagation more effectively than ferrite-pearlite microstructures.     

激光表面热处理下Cu薄膜的疲劳性能

通过CO2激光器对试件进行激光表面热处理,对比处理前后试样的疲劳寿命,找出了最优激光工艺参数,并对其进行疲劳断口及表面微观结构分析,探求其微观机理.研究结果表明:激光表面热处理时激光扫描速率、功率密度对处理效果有显著影响;对于25μm厚工业纯Cu薄膜材料,激光功率密度为208 kW/cm2,扫描速率为25mm/s时,激光表面处理效果最佳,试件的疲劳寿命提高了2～3倍;在扫描电镜观测下发现,激光表面处理后试件表面形成1层淬硬区并产生残余压应力,使试件的疲劳强度明显增加,且激光表面处理的试件裂纹萌生后扩展至断裂的过程较为缓慢,断口出现疲劳条纹.     

传动轴断裂分析

采用宏观及显微组织分析、扫描电镜分析和力学性能试验等方法对传动轴的断裂进行了失效分析。结果表明,该轴断裂属疲劳失效,轴端部键槽处在制造过程中存在淬火裂纹是导致疲劳断裂的主要原因。