TC21钛合金电子束焊接接头超高周疲劳行为研究

采用超声疲劳试验方法(20 k Hz),研究TC21钛合金电子束焊接接头的超高周疲劳性能与断裂机理。结果表明,TC21钛合金电子束焊接接头的疲劳性能要远低于母材的疲劳性能。在短寿命阶段,电子束焊接接头和母材的疲劳裂纹均在表面萌生;当寿命增大时,两者疲劳裂纹的萌生位置均由表面转向内部,母材的疲劳裂纹主要萌生于内部显微组织,而电子束焊接接头疲劳裂纹主要萌生于内部焊接气孔缺陷。当寿命较长时,疲劳源区会出现"鱼眼"形貌特征,源区附近有白色颗粒状细晶区,即细晶区(Fine granular area,FGA),其应力强度因子在2.90~3.33 MPa·m1/2,与疲劳寿命没有直接关系,可以认为是疲劳裂纹扩展门槛值。此外,基于AKINIWA小裂纹扩展理论,定量分析气孔尺寸与TC21焊接接头疲劳极限、疲劳应力的关系。     

25Cr2Ni2MoV钢焊接接头的超高周疲劳特性

对25Cr2Ni2MoV钢焊接接头开展常温拉压条件下的超高周疲劳试验,并对失效试样进行断口分析,研究焊接接头的疲劳失效机理。结果表明,疲劳寿命曲线呈现阶梯状:在高应力短寿命区,疲劳断裂发生在试样母材区较多,多为表面或次表面夹杂物裂纹萌生;在低应力长寿命区,疲劳断裂发生在试样焊缝区较多,多为内部气孔裂纹萌生。断口分析发现:缺陷(裂纹源)尺寸较小或者越靠近试样内部,疲劳寿命越长,且较小缺陷同内部较大缺陷具有相似的裂纹萌生潜力。通过有限元模拟疲劳试样内部微缺陷处的应力分布得出,焊缝区气孔和夹杂物周围的应力集中程度大于母材区夹杂物。结合断口分析发现,母材区弥散分布的粒状颗粒夹杂物数量较多,并且聚集起来会形成更大的缺陷,相比焊缝区夹杂物更容易萌生疲劳裂纹。     

激光冲击强化对TC4钛合金单面修饰激光焊接接头疲劳性能的影响

对TC4钛合金单面修饰激光焊接接头进行激光冲击强化,对比强化前后焊接接头的疲劳寿命,在光学显微镜和扫描电镜下观察断口疲劳断裂特征,并从焊接接头的显微硬度、微观组织、残余应力分布等方面综合分析激光冲击强化对TC4钛合金单面修饰激光焊接接头的强化机理。试验结果表明：未强化和强化试样均在焊缝咬边处萌生疲劳裂纹,强化试样疲劳寿命是未强化试样疲劳寿命的3.77~9.15倍,强化试样焊缝咬边处马氏体细化,显微硬度提高,焊缝表面呈残余压应力分布,焊缝咬边处残余压应力达-564.37±9.85MPa。晶粒细化和高幅值残余压应力综合作用下抑制了焊缝咬边处疲劳裂纹的萌生,且增大了裂纹扩展阻力,从而提高了焊接接头疲劳性能。     

TA15钛合金钨极氩弧焊焊接接头力学性能研究

TA15钛合金钨极氩弧焊焊缝、热影响区、母材的微观组织差别明显,晶粒尺寸依次减小.焊接件的疲劳试验结果分析表明,热影响区是焊接接头的薄弱部位,疲劳裂纹大多萌生于焊接热影响区区域.疲劳破坏试样断口的SEM(scanning electron microscope)分析表明疲劳裂纹大多起源于焊接热影响区的气孔处.     

Q355NE+SUS304异种金属焊接接头组织与腐蚀疲劳性能研究

以Q355NE+SUS304异种金属焊接接头为研究对象,对其显微组织、3.5%NaCl+0.5%Na2SO4(质量分数),PH=5溶液腐蚀疲劳和腐蚀疲劳断裂特征进行了研究,分析了异种金属焊接接头腐蚀疲劳性能和断裂过程。结果表明:试验级腐蚀疲劳极限在170MPa左右,腐蚀疲劳裂纹起源于Q355NE侧的热影响区,逐渐扩展最终断裂于接头焊缝区,异种金属焊接接头构件级腐蚀疲劳通过4吨极限加载条件下的200万次试验,未发生破坏。     

不锈钢焊接件低周疲劳固有耗散分析

采用数字图像相关(DIC)技术和红外热成像技术测量了310S不锈钢焊接接头低周疲劳过程中的变形和表面温度场,其中,DIC技术用于观察焊接接头局部变形的不均匀性,红外热成像技术提供样品表面的温度场分布。结果表明:在高应力区域,疲劳失效主要发生在焊接接头处;在低应力区域,疲劳失效主要发生在母材区。通过求解局部热扩散方程计算获得的试件表面的固有耗散分布可用于预测裂纹萌生位置。     

TiAl 合金高周弯曲疲劳研究

应用压电超声疲劳试验技术,开发20 kHz频率下的三点弯曲疲劳试验系统,完成室温下TiAl合金超高周弯曲疲劳试验.结果表明,在疲劳循环大于107周时,试样仍会发生疲劳断裂.S-N曲线显示,当应力比R=0.7时,在107周后会出现疲劳极限,表面粗糙度对疲劳性能没有明显影响.当R=0.1 及R=0.5时,在105～1010周之间疲劳强度随循环次数的增加连续下降,S-N曲线未出现水平.光学显微观察发现,TiAl合金由α2-Ti3Al 和γ-TiAl组成(γ α2钛铝合金),具有全片层状显微结构.疲劳破坏主要起源于试件表面承受应力最大处,层状晶体内层间裂纹萌生是 TiAl合金主要的裂纹萌生方式,疲劳裂纹主要以穿晶方式扩展.在超高周循环条件下, 疲劳裂纹也会从试样近表层处的铸造缩孔萌生.     

打磨粒度对A5083铝合金焊接接头力学及疲劳性能的影响

对A5083铝合金焊接接头采用不同粒度的打磨片进行打磨,研究了打磨后焊接接头的拉伸性能和疲劳性能差异,并分析其断口形貌与疲劳性能的关系。80目打磨片条件下的焊接接头拥有最大的抗拉强度以及最高的延伸率,而40目打磨片条件下试样的疲劳极限最高。对疲劳断口进行扫描电镜(SEM)观察,发现裂纹源均为焊缝区的焊接缺陷。研究结果表明,打磨片粒度对A5083铝合金焊接接头的拉伸性能和疲劳性能没有明显影响,焊接接头的质量是其力学性能的主要影响因素。     

静轴肩FSW铝合金6061-T4板的T形接头组织特征及动静载特性研究

利用自主开发的静止轴肩焊接工具及工装,在不同的焊接参数下均获得到了外观成形良好、无焊接缺陷的T形接头,并对接头内部成形、显微组织、硬度、静载强度和疲劳性能及疲劳失效机制进行了研究。研究结果表明铝合金静止轴肩搅拌摩擦焊T性接头内部质量良好,无缺陷,接头表面存在表面超细晶区,且焊核区内部由于流动状态不同导致组织及硬度存在一定差异,T形接头底板及筋板硬度较母材有不同程度的降低,底板和筋板拉伸试验均断裂于接头热影响区,在优化的参数下底板和筋板方向的接头系数均高于0.7,在2×10⁶疲劳寿命下的特征疲劳强度可达101.0 MPa,远高于IIW建议的设计准则。焊接速度对接头疲劳性能及疲劳失效机制影响较大,疲劳裂纹萌生于T形接头底板和筋板过渡处,低焊速时断裂机制为穿晶断裂,高焊速时由于晶界稳定性差,断口呈现穿晶断裂和晶间断裂的混合形貌。完成了铝合金T形接头的无缺陷焊接及组织性能研究,为铝合金静止轴肩搅拌摩擦焊T形接头在新型轻量化航天器密封舱结构中的应用提供了技术支撑。     

2195铝锂合金火箭贮箱焊接接头强度分析

为确定火箭贮箱搅拌摩擦焊(FSW)焊接接头疲劳寿命,完成对贮箱结构的疲劳分析,对2195铝锂合金母材标准试件与搅拌摩擦焊焊接接头标准试验件进行静力试验与常幅疲劳试验,得出母材与FSW焊接接头的拉伸强度等力学性能参数,同时绘制其S-N曲线。在试验数据基础上,应用ABAQUS软件对贮箱进行静力分析,联合NCODE软件估算贮箱模型在给定工况载荷下的疲劳寿命。结果表明：应力最严重位置为筒段焊缝处,最先破坏位置发生在筒段横竖焊缝交接处。在疲劳寿命分析的基础上应用ABAQUS-FRANC3D软件联合仿真,在焊缝破坏位置处插入角裂纹,模拟三维裂纹扩展,当裂纹扩展为穿透裂纹时,计算终止。计算了三维表面裂纹的应力强度因子和裂纹扩展寿命,为贮箱损伤容限提供了评估思路。     

中高强度铝合金熔化焊接接头的缺陷容限评价方法

应用电子背散射衍射及高精度同步辐射X射线三维原位成像技术,结合高周疲劳试验与裂纹扩展速率试验,揭示了激光复合焊接的中高强度铝合金的微结构特征(如组织、缺陷等)对疲劳性能的影响。结果发现,激光复合焊接过程显著改变了铝合金接头各区的组织特征;焊缝中存在着大量气孔缺陷;接头的拉伸和疲劳性能均低于母材,软化严重;根据缺陷的极值统计与修正的Murakami公式,获得了接头的理论疲劳极限。绘制出熔焊接头Kitagawa-Takahashi图,通过高周疲劳极限值推证得到铝合金7020和7050激光复合焊接头的缺陷容限值分别为185μm和311μm。     

焊接工艺参数对7B04-T6铝合金搅拌摩擦点焊接头疲劳性能的影响

在不同回填时间、插入时间、插入深度、旋转速度下对1.5mm厚7B04-T6铝合金板进行回填式无匙孔搅拌摩擦点焊,对接头进行拉-拉疲劳试验,研究了焊接工艺参数对接头疲劳性能的影响。结果表明:不同焊接工艺下接头均分为焊核区、热机影响区、热影响区和母材,在热机影响区的两板结合区存在钩状缺陷;焊接工艺参数对接头疲劳寿命的影响程度从弱到强的顺序为回填时间、插入时间、插入深度、旋转速度;在旋转速度为2 500r·min~(-1),回填时间为2s,插入深度为1.9mm,插入时间为3s下,接头的疲劳寿命最高,可达211 919周次,疲劳裂纹萌生于两板结合区的钩状缺陷处。     

HG80钢及其焊接接头的疲劳裂纹扩展

为适应大型工程机械焊接用钢需要，对低合金高强度钢HG80及其焊接接头的疲劳裂纹扩展速率进行了研究。结果表明，疲劳裂纹扩展速率对钢板的轧制方向不敏感，焊缝及热影响区疲劳裂纹扩展速率明显低于基材。在排除焊接残余应力导致的裂纹闭合效应后，焊缝及热影响区疲劳裂纹扩展速率与基材相当。     

运行条件对不锈钢点焊疲劳性能影响及开裂分析

以不锈钢车体底架电阻点焊接头为对象,研究了温度（-40℃、室温和70 ℃）、应力比（0.1、0.5）以及3.5%NaCl腐蚀介质对接头疲劳寿命的影响;借助电子背散射衍射（EBSD）技术、扫描电镜（SEM）、仪表球压痕系统(IBIS)和拉伸剪切试验,对晶粒取向、残余应力分布、疲劳断口形貌和力学性能进行分析。结果表明：低温条件下材料强度的提高可获得更好的疲劳性能,70 ℃条件下塑性性能的改善可使高周疲劳性能更优;应力比为0.1时的疲劳性能优于应力比为0.5时的疲劳性能;腐蚀介质和拉应力促使应力腐蚀开裂和裂纹尖端的阳极区快速溶解,加速裂纹的萌生和扩展,显著缩短了点焊接头的疲劳寿命;疲劳裂纹在界面应力集中尖角处形核,沿熔核软化区长大,逐渐向表面扩张,直至断裂失效。     

2E12铝合金的疲劳性能与裂纹扩展行为

研究了2E12合金在不同应力水平下的疲劳性能及疲劳裂纹扩展速率,采用透射电镜和扫描电镜观察了该合金的微观组织和断口形貌特征.结果表明:高纯2E12合金具有良好的耐损伤疲劳性能,当应力比R=0.1时,疲劳强度σ=172 MPa,R=0.5时的疲劳强度σ=280 MPa,比R=0.1时提高了60%,缺口的存在降低了疲劳强度.R=0.1,△K=30 Mpa·m1/2时,da/dN约为2.7×10-3 mm/周,比国产2024合金裂纹扩展速率(6.5×10-3 mm/周)低60%左右.2E12合金疲劳断口由裂纹源区、裂纹扩展区及瞬断区三部分组成,裂纹萌生一般位于试样表面应力集中处或不同类型的缺陷部位.     

焊接残余应力对疲劳裂纹萌生和扩展的影响

通过疲劳试验,研究焊接残余应力对疲劳裂纹萌生和扩展性能的影响,以及残余应力的再分配。试验结果表明,垂直于裂纹方向的纵向残余应力促进孔边疲劳裂纹的萌生和扩展;残余应力随焊缝金属的应变松弛而降低,它对疲劳裂纹扩展速率的影响相应减小;残余应力场中疲劳裂纹扩展速率仍可以用Ｐａｒｉｓ ／公式计算。     

低周疲劳过程损伤变量的复合分析法和三阶段损伤演化模型

采用疲劳损伤力学的方法分析Ni Cr Mo V钢核电汽轮机低压焊接转子1︰1模拟件接头低周疲劳过程,针对损伤变量表征方法中的弹性模量法和应力幅值法应用的局限性,并考虑循环前期循环软化造成的材料的损伤,提出适用于循环软化材料的低周疲劳全过程损伤变量表征的复合分析法,提高了疲劳过程各阶段材料损伤测量的准确性;提出低周疲劳损伤过程的三阶段损伤模型,将焊接接头的疲劳损伤过程分为应力松弛、微空洞和微裂纹的萌生和扩展以及宏观裂纹的萌生和扩展三个阶段,并用于分析焊接接头的低周疲劳损伤过程。试验结果表明,在Ni Cr Mo V钢汽轮机低压焊接转子接头的低周疲劳损伤过程分析中,采用复合分析法表征损伤变量较弹性模量法和应力幅值法更为合理,且三阶段疲劳损伤模型能很好地反映疲劳损伤过程。     

S135钻杆钢的单轴疲劳性能对比

通过疲劳试验测定了S135钻杆钢在单轴对称拉-压和扭-转加载条件下的疲劳寿命,应用回归分析方法得到了单轴疲劳寿命的定量公式,并对疲劳断裂的机制进行了分析。结果表明:在双对数坐标中,疲劳寿命与有效应力幅呈良好的直线关系;扭-转疲劳极限与拉压疲劳极限之比为0.682;拉-压加载和扭-转加载下的裂纹均萌生于试样表面;拉-压疲劳试样的裂纹扩展以疲劳条带为主要特征;扭-转疲劳试样的裂纹扩展以剪切型涟波花样为主要特征。     

S135钻杆钢在H_2S环境中的腐蚀疲劳行为

对S135钻杆钢在空气和H_2S环境中进行了不同应力幅下的疲劳试验,得到了不同条件下的疲劳寿命,并应用回归分析方法得到了该钻杆钢在不同环境中的疲劳寿命公式,分析了其疲劳断裂机制。结果表明:在空气环境中,试验钢呈现明显的疲劳极限特征;在H_2S环境中,相同当量应力幅下试验钢的疲劳寿命比在空气环境中的低,且在很低的当量应力幅下仍会发生断裂,不存在疲劳极限;在不同环境和不同当量应力幅下,试验钢的疲劳裂纹均萌生于试样表面或靠近表面处,裂纹源区以解理断裂为主;在空气环境中,裂纹扩展区以疲劳条带为主要特征,在H_2S环境中,裂纹扩展区以解理平面和解理台阶为主要特征,在其解理平面上存在大量的二次裂纹,具有氢脆断裂的特征。     

基于长裂纹扩展阈值的渗碳Cr-Ni合金钢超高周疲劳极限评估

文章旨在构建渗碳Cr-Ni合金钢的超高周疲劳极限预测模型。在两种应力比下对渗碳Cr-Ni合金钢开展超高周疲劳试验,结果表明,渗碳Cr-Ni合金钢的S-N特性呈现持续下降的趋势。通过扫描电镜对断口表面裂纹形貌的观测,当疲劳寿命低于5×10⁵周次时,表面失效是疲劳试样主要失效形式,当寿命高于1×10⁶周次时,内部夹杂-FGA-鱼眼诱发失效成为渗碳Cr-Ni合金钢的主要失效方式。利用裂纹扩展阈值对FGA尺寸进行了评估,结合El-Haddad模型,构建了基于长裂纹扩展应力强度因子阈值的疲劳极限预测模型。与他人模型预测的疲劳极限对比,得出构建的阈值应力模型预测的疲劳极限误差最小,预测结果更保守。