再制造件涂覆层内部裂纹扩展行为研究

目的研究再制造件涂层内部不同形状、尺寸的裂纹扩展行为。方法利用扩展有限元和内聚力单元结合的方法,通过设定断裂能G值作为控制裂纹扩展的参数,对三点弯曲试验以及拉伸试验下涂覆层内部的裂纹进行模拟,并通过实验进行验证。结果随着载荷的增加,涂层中的垂直裂纹和45°倾斜裂纹均沿着涂层厚度方向扩展,到达界面时裂纹发生偏转,沿着界面继续扩展而并没有越过涂层-基体界面向基体扩展。模拟得到三点弯曲试验下初始长度为0.2 mm的垂直裂纹和45°倾斜裂纹开裂的临界载荷分别为3.47 k N和4.49 k N,裂纹长度增加至0.3 mm时,临界载荷降低为3.29 k N和4.31 k N。裂纹越靠近试件中心,临界载荷越小,越易发生裂纹扩展现象。另一方面,在拉伸试验下,0.2 mm的垂直裂纹的临界开裂载荷(3.47 k N)小于投影长度相同的倾斜裂纹的临界载荷(5.21 k N),而与拉应力平行的裂纹并未扩展。实验得到0.2 mm的垂直裂纹在弯曲试验下的平均临界载荷为3.49 k N,而倾斜裂纹为4.46 k N。结论三点弯曲试验下,垂直裂纹比倾斜裂纹更危险,初始长度越长、越靠近试件中心的裂纹越易发生裂纹扩展现象。在拉伸试验下,与拉应力平行的裂纹并未扩展,最安全。模拟结果与实验相近,验证了模拟的正确性。     

多道次激光熔覆温度场与应力场有限元分析

利用ANSYS软件,基于遗传算法和神经网络对多道激光熔覆温度场和应力场进行有限元分析,发现多道熔覆过程中,温度场椭圆偏向已形成熔覆层的一侧;多道熔覆前面道次的熔覆相当于对后续的熔覆有预热作用;熔覆层纵向应力最大,横向应力次之,厚度方向应力最小;而熔覆层中心一直处于拉应力状态;纵向拉应力高出横向和厚度方向应力几倍,并且在熔覆层与基体结合区域达到最高值。因此推断横向裂纹是最主要的裂纹形式,而且熔覆层心部或与基体结合区是裂纹高发区,这与试验结果相吻合。     

多道激光熔覆应力场的模拟分析

实现了对应力场随时间变化的动态模拟分析,发现熔覆层纵向应力最大,横向应力次之,厚度方向应力最小;熔覆层中心一直处于拉应力状态并产生拉伸塑性变形;三向拉应力在材料进入弹性状态后,表现为横向和厚度方向上的拉应力明显下降,纵向应力基本保持不变;对于材料的拉伸或压缩塑性变形,热应变起到决定作用;分析送粉式激光熔覆内应力的产生机理表明,熔覆层中心靠近基体区域对裂纹最敏感,该区域处于第三类主应变状态.     

基于XFEM的异型坯表面裂纹扩展模拟研究

针对异型坯生产中出现较多表面裂纹的问题,在前期铸坯凝固过程热力行为研究基础上,提取凝固坯壳的温度与应力数据,使用扩展有限元方法,结合材料损伤力学、子模型技术模拟预制表面裂纹的扩展情况。研究结果表明:在裂纹尖端区域出现应力集中,应力值明显高于无裂纹位置;当应力集中区域最大主应力达到临界值时单元开裂,裂纹扩展。R角处预制纵裂纹扩展量最大,与拉坯方向呈75°、45°裂纹次之;预制表面横裂纹在沿横向扩展一个网格后扩展方向出现弯折,裂纹最终扩展方向均为沿纵向。     

铸态全片层Ti-46Al-0.5W-0.5Si合金的室温力学性能

对具有柱状晶组织的铸态全片层Ti-46Al-0.5W-0.5Si合金纵向和横向试样进行了室温拉伸、室温压缩和三点弯曲试验,并对拉伸试样断口进行了分析。结果表明:铸态全片层Ti-46Al-0.5W-0.5Si合金力学性能存在强烈的各向异性。横向试样的拉伸性能和弯曲性能远远优于纵向试样,但压缩屈服强度低。合金的力学性能取决于加载轴与片层界面的角度,而不是柱状晶轴的方向。横向拉伸试样的拉应力与片层界面平行,α2/γ片层相界面对裂纹的阻碍作用对提高拉伸性能起到了重要作用。纵向压缩试样的压应力与片层界面垂直,使片层间的微裂纹闭合不扩展,压缩屈服强度较横向试样高。     

热喷涂涂层残余应力的数值模拟

利用有限元方法建立轴对称模型,对铜表面热喷涂镍金属涂层的残余应力进行模拟分析.研究基体温度和粒子速度对涂层残余应力的影响.研究表明,涂层受残余压应力,从涂层向基体方向残余应力呈减小趋势,随基体温度升高,残余应力呈减小趋势,随粒子速度增加,残余应力呈增大趋势.     

焊缝热裂纹强度准则分析

采用数值模拟和断口试验的方法分析焊接热裂纹与应力参量间关系. 采用有限单元法分析焊接热弹塑性过程,提取焊缝热过程应力参量的时历. 以热裂纹中纵向裂纹、横向裂纹、焊趾裂纹以及弧坑裂纹为例,对比不同类型的热裂纹所处焊道区域的应力三维度、第一主应力以及剪应力等应力参量在热脆性敏感温度区间的分布特征及对焊接热量输入的依赖性,结合工程经验及断口试验,探讨焊接热裂纹开裂的应力参量作用机制. 结果表明,不同类型热裂纹对应力参量敏感性各不相同,具有不同开裂机理,由此建立不同裂纹类型的强度准则.     

基于SPH的超音速火焰喷涂WC-12Co粒子速度对其沉积行为的影响

目的 以超音速火焰喷涂过程为基础,探究粒子撞击速度对粒子在基体上沉积行为的影响。方法 应用SPH方法,模拟分析WC-12Co粒子速度在400～800 m/s内,单个粒子在相同基体上的沉积行为。结果 粒子撞击速度与粒子扁平率、粒子基体结合面积、结合方式等有密切关系。随着粒子撞击速度的增加,基坑深度持续增大至最小深度的4.6倍,金属射流对提高粒子扁平化程度及粒子与基体的有效结合面积起到促进作用,总接触面积最大可达到原有效接触面积的2.7倍。撞击速度的提升使得有效塑性应变及应变区域增加,形变区域增大。同时,结合面温升总体增加,增强了粒子与基体的结合条件。沉积过程存在能量耗散,初始能量的提高有利于粒子与基体总能量的增加,强化了压实效应,进一步促进粒子与基体的结合。结论 在数值模拟选取的范围内,超音速火焰喷涂WC-12Co粒子的撞击速度越高,粒子与基体的结合状态越好。     

无冷却喷涂工艺对其制备的热障涂层的裂纹系统和寿命的影响

无冷却喷涂形成的热障涂层裂纹体系,可提高陶瓷顶层应变容限.但目前缺乏对裂纹体系的系统研究,特别是横向分叉裂纹.因此,文中研究送粉率和基体预热温度对陶瓷顶层裂纹系统的定量影响,并比较不同裂纹系统的热循环寿命.结果表明,增加送粉率,垂直裂纹密度和横向分叉裂纹长度均呈现先大后小的趋势.预热温度的提高可增加涂层中垂直裂纹数量,但横向分叉裂纹长度呈现先增后降的趋势.热循环试验表明,维持一定垂直裂纹的同时,降低横向分叉裂纹可提高涂层热循环寿命.     

TiAl合金750℃下疲劳小裂纹行为研究

研究Ti-46Al-4Nb-1.8Cr-0.2Ta合金在高温下小裂纹的萌生和扩展行为。选用光滑板材试样在原位试验机上进行750 ℃、应力比R=0.1、频率为4 Hz的疲劳试验,并使用扫描电镜对裂纹微观形貌进行观察。结果表明:片层组织TiAl合金的疲劳裂纹最易在片层团界萌生,疲劳过程中伴随较大的微观塑性变形,并在片层团界及片层间萌生大量裂纹,疲劳裂纹扩展试样半圆形缺口根部与水平方向呈45°的应力集中区域最易萌生裂纹,主裂纹通过疲劳过程中产生的片层团界裂纹、片层间裂纹合并而成,并沿与载荷方向垂直的方向扩展。在疲劳裂纹扩展后期,裂纹为穿层扩展断裂。