航空发动机涡轮盘用GH4133B合金疲劳裂纹扩展行为研究

材料的疲劳寿命由裂纹形成寿命和扩展寿命两部分组成。针对航空发动机涡轮盘用GH4133B合金,进行室温下不同应力比的疲劳裂纹扩展试验,测试疲劳裂纹扩展门槛值。Paris公式回归分析结果表明,裂纹扩展速率随应力强度因子和应力比的增大而增大,含门槛值的修正Paris公式能精确描述疲劳裂纹扩展行为。利用光学显微镜在线观测裂纹扩展路径,并利用扫描电镜考察试样断口微观形貌。结果发现,随应力强度因子增大,裂纹扩展路径由平直变得曲折。在疲劳裂纹萌生区、稳定扩展区和快速扩展区,断裂表面依次呈现为解理断裂、疲劳条带和沿晶韧窝混合断裂模式。基于断口反推理论反推载荷和裂纹扩展方程,结果表明,利用反推方程预测疲劳裂纹的扩展,可有效防范疲劳断裂的发生。     

应力比对25Cr2Ni2MoV钢焊接接头近门槛值区疲劳裂纹扩展曲线转折点的影响

在常温下采用逐级降载法进行不同缺口位置、不同应力比下25Cr2Ni2Mo V钢焊接接头的疲劳裂纹扩展试验,研究疲劳裂纹扩展曲线上近门槛值区转折点的变化规律。结果表明,焊接接头的疲劳裂纹扩展曲线在近门槛值区内存在一个转折点,其对应的应力强度范围随应力比的增大而减小,其大小为疲劳门槛值的0.5~0.8。近门槛值区疲劳裂纹扩展转折点前后扩展曲线斜率发生变化表明裂纹扩展机理的改变,热影响区缺口处的转折行为对疲劳裂纹扩展影响较小。应力比R低于0.5时,循环塑性区尺寸总体接近于材料特征组织尺寸;应力比R高于0.5后,两者偏差加大。应力比低于0.5时转折点对应的循环塑性区尺寸同特征组织尺寸接近,驱动力由ΔK控制向Kmax主导的转变是引起转折点随应力比变化的原因。     

高产气井油管用13Cr-L80钢的腐蚀疲劳裂纹扩展行为

用复合磷酸盐完井液对取自13Cr-L80钢油管的紧凑拉伸试样进行预腐蚀处理,再进行疲劳裂纹扩展试验,通过分析疲劳裂纹扩展区形貌,研究了应力比(0.05～0.25)、加载载荷(10～14 kN)和载荷频率(0.6～1.8 Hz)对腐蚀疲劳裂纹扩展行为的影响。结果表明：随应力比增大,疲劳裂纹扩展区二次裂纹数量增多,13Cr-L80钢的裂纹扩展速率增大;随加载载荷增大,疲劳裂纹扩展区二次裂纹数量减少,裂纹扩展速率减小;载荷频率越高,疲劳裂纹扩展区二次裂纹数量越少,但裂纹尖端应变速率增大,裂尖变形更充分,导致裂纹扩展加快,试验中止时的循环次数减少。     

LY12CZ铝合金在人工海水中的腐蚀疲劳裂纹扩展行为

采用腐蚀疲劳试验方法,研究了LY12CZ铝合金在人工海水(3.5%Na Cl溶液)中腐蚀疲劳裂纹的扩展规律,分析了载荷频率、应力比以及人工海水p H对裂纹扩展速率的影响,并借助扫描电镜对其断口形貌进行了观察。结果表明:随载荷频率、人工海水p H的降低,腐蚀疲劳裂纹扩展速率会显著加快,应力比则主要影响腐蚀疲劳近门槛值区的裂纹扩展;在中性人工海水中阳极溶解对裂纹加速扩展起主导作用;随人工海水p H的降低,裂尖氢置换反应加剧,裂尖材料氢损伤对裂纹扩展的加速效应逐渐显现。     

应力比对套管钻井用J55钢疲劳裂纹扩展行为的影响

利用电液伺服疲劳试验机及扫描电镜研究了应力比对J55钢疲劳裂纹扩展行为的影响。结果表明:在相同裂纹扩展长度处,随着应力比R的增大,疲劳裂纹扩展速率明显减小;在较低的ΔKeff区,应力比R对裂纹扩展速率的影响不显著,随着ΔKeff的升高,应力比对裂纹扩展速率的影响越来越显著;在相同的Kmax下,裂纹扩展速率随着应力比的增加而明显减小;随着应力比的增大,在高Kmax区,韧性断口的韧窝逐渐由抛物线状转变为等轴状。     

X80管线钢疲劳裂纹的扩展行为

对X80管线钢进行了拉伸试验和三点弯曲疲劳试验,研究了该钢的拉伸断口形貌以及不同应力比(0.1,0.4,0.6)对疲劳裂纹扩展行为的影响。结果表明:X80管线钢具有连续屈服特征,拉伸断口形貌呈韧窝状;增大应力比会降低X80钢的疲劳寿命,降低裂纹长度;以应力强度因子幅值ΔK作为驱动参数,Paris公式可以很好地拟合不同应力比下X80管线钢的疲劳裂纹扩展速率。     

疲劳门槛值统一理论模型的比较及验证

针对应力比对疲劳裂纹扩展及门槛值的影响,依据裂纹闭合与裂纹扩展驱动力机制的统一思想,阐述了Zhu-Xuan模型与Kwofie-Zhu模型的建立过程,并基于25Cr2Ni2MoV转子钢焊接接头的疲劳裂纹扩展试验数据对模型进行验证。结果表明,两种模型在近门槛值区和Paris区均有良好的预测效果,其中Zhu-Xuan模型形式简单,对CrMoV钢具有普适性,预测门槛值的误差在10%以内,而Kwofie-Zhu模型预测结果更准确,但应用过程涉及参数求解,过程较复杂。研究认为,裂纹闭合与扩展驱动力机制的统一模型描述疲劳裂纹扩展行为的应力比相关性是合理可行的,且具有较好精度。     

不同条件下300M钢的疲劳裂纹扩展行为

对300M钢在空气和质量分数3.5%NaCl水溶液中分别进行了疲劳裂纹扩展速率试验,得到了其疲劳裂纹扩展速率-应力强度因子范围曲线,并分别利用Paris公式和Walker公式对曲线进行了拟合;分析了应力比、腐蚀环境、频率对疲劳裂纹扩展速率的影响。结果表明:300M钢的疲劳裂纹扩展速率随应力比的增加而增大;在相同应力比下,300M钢在NaCl水溶液中的疲劳裂纹扩展速率在裂纹扩展前期比在空气中的快,在扩展后期则趋于一致;较低试验频率下300M钢在裂纹扩展前期的疲劳裂纹扩展速率比在较高频率下的快。     

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。     

高超载比超载对Q345钢的疲劳性能的影响

采用Q345钢制作成紧凑拉伸试样,并在裂纹萌生后进行超载.通过疲劳裂纹扩展试验,研究高超载比超载对疲劳裂纹扩展速率的影响,分析其延寿机理.研究发现:较高的超载比使试样引入了残余压应力,使得有效应力强度因子降低至应力强度因子门槛值附近.可以降低疲劳裂纹扩展速率,抑制裂纹扩展,延长试样的疲劳寿命,通过此方法提高了含裂纹结构的使用寿命.     

一种疲劳长裂纹扩展率新模型

基于LZ50车轴裂纹扩展数据分析,提出描述长裂纹扩展的新模型。新模型包含门槛值和断裂韧度,并考虑循环比效应,可有效描述门槛值附近和高应力强度因子范围长裂纹的扩展行为及其趋于断裂点的行为;该模型克服了现有Paris-Erdogan模型不能描述门槛值附近和高应力强度因子范围,Forman-Kearney-Engle模型不能描述门槛值附近,Elber方程不能描述高应力强度因子范围疲劳裂纹扩展规律的缺陷。     

基于疲劳短裂纹行为的疲劳寿命估算方法

在疲劳短裂纹形成和扩展行为基础上，提出了一种疲劳寿命估算方法。计算结果表明，该方法具有满意的预测精度。     

16MnR钢在不同应力比下的疲劳裂纹扩展的试验研究及模拟

采用3.8 mm厚带有圆形缺口的CT试样,研究了16MnR钢在不同应力比的恒幅循环载荷作用下的疲劳裂纹扩展。开发了一种基于疲劳损伤的方法来模拟疲劳裂纹扩展速率。将16MnR钢的循环塑性本构模型通过用户材料子程序UMAT嵌入到ABAQUS中。把有限元计算得到的疲劳裂纹尖端附近区域的弹塑性循环应力应变结果,代入到疲劳损伤模型中,得到每个加载循环在裂尖各点产生的疲劳损伤值。通过疲劳损伤准则,导出疲劳裂纹稳定扩展速率的计算公式。疲劳裂纹扩展试验验证了模拟结果。实验结果和模拟结果都表明,该试样厚度下,应力比对裂纹扩展速率几乎没有影响。     

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。     

叶片疲劳应力幅的断口特征形貌判断

归纳总结了叶片疲劳断口的特征形貌。宏观疲劳断口的特征形貌主要有宏观疲劳源或疲劳源区的疲劳沟线、疲劳扩展距离、疲劳断口的粗糙度,微观疲劳断口的待征形貌主要有微观疲劳条带间隔、二次疲劳裂纹和韧窝形貌等。然后讨论了通过疲劳断口特征形貌的定性分析或定量分析诊断疲劳应力幅大小的可能性和值得注意的问题。     

研磨加工层对高碳铬轴承钢超长寿命疲劳行为的影响

为了阐明磨石研磨加工层对高碳铬轴承钢JIS SUJ2超长寿命疲劳行为的影响,分别使用经砂纸研磨和电解研磨的砂漏形试样,在室温空气环境下进行旋转弯曲疲劳试验.砂纸研磨试样被除去部分磨石研磨层,电解研磨试样被除去了全部的磨石研磨层.结果表明,两种试样的S-N曲线由位于短寿命区的表面破坏模式和位于长寿命区的内部破坏模式的两条组成,表面破坏模式的S-N曲线受表面粗糙度和表面压缩残余应力的影响.内部破坏模式的S-N曲线不受表面条件的影响,是材料固有的特性.砂纸研磨试样表面破坏模式的疲劳极限最高,是电解研磨试样1.11倍和磨石研磨的1.20倍.表面压缩残余应力对表面破坏模式疲劳极限的影响可以用修正Goodman图表示.还讨论裂纹的萌生和扩展条件,推定超长寿命的疲劳极限.     

高碳铬轴承钢的超长寿命疲劳行为的研究

使用砂漏型试样对高碳铬轴承钢的S-N曲线特性和破坏机理进行了研究。通过旋转弯曲疲劳试验获得的S-N曲线按照破坏模式的不同被划分为裂纹萌生位置不同的两组。一组叫做表面破坏模式的S-N曲线,它发生在高应力幅短寿命区,是由试样表面晶体滑移引起的。另一组叫做内部破坏模式的S-N曲线,它发生在低应力幅长寿命区,是由试样内部的非金属夹杂引起的。由于内部破坏模式的疲劳破坏发生在表面破坏模式的疲劳极限上下很宽的应力幅范围,因此,试验材料的S-N曲线的形状与通常报道的阶梯形状的S-N曲线的形状不同,它具有两条S-N曲线的特性。通过对断口上裂纹萌生位置的详细观察和裂纹萌生位置的初期尺寸参数的计算,阐述了内部破坏模式的破坏机理,提出了基于尺寸参数的超长寿命疲劳极限的推定方法。