考虑形状比的焊趾裂纹扩展行为的数值仿真分析

针对焊趾处初始裂纹的不同形状比,基于NASGRO裂纹扩展速率模型对裂纹扩展过程进行了数值仿真. 以具有不同形状比的半椭圆表征焊趾表面裂纹,考虑短裂纹扩展阶段,采用M积分计算整个裂纹前沿的应力强度因子,并将裂纹前沿应力强度因子中值点作为裂纹扩展的主要控制参量,模拟并分析了不同形状比条件下裂纹前沿的形状演变和应力强度因子的分布及变化特点. 结果表明,随着裂纹的扩展,短裂纹阶段的不同形状比变化将趋于一致;短裂纹的形状比对早期裂纹扩展有较大影响,并最终导致整体疲劳寿命的显著差异性;综合初始形状比对裂纹前沿应力强度因子、扩展形状以及疲劳寿命的影响,可将其作用效果的强弱拐点作为界定短裂纹与长裂纹的有效参考. 开展了十字焊接接头疲劳验证试验,试验结果与仿真结果具有较好的一致性.     

径向间隙对304L不锈钢振动疲劳性能的影响

基于疲劳试验和有限元分析，研究径向间隙对插套焊疲劳性能的影响. 疲劳试验表明，应力比较大时，试样易在焊趾处失效，焊趾处裂纹由外向内扩展；应力比较小时，易在焊根处失效，焊根处裂纹由内向外扩展. 未失效试样径向间隙高于失效试样. 利用有限元软件建立了插套焊有限元模型，分析了径向间隙对焊根和焊点处疲劳性能的影响. 结果表明，相对于0.1 mm的径向间隙，0.4 mm径向间隙能降低焊根和焊趾处的应力，降低幅度分别为14%和1.4%，径向间隙越大，焊根和焊趾处的应力峰值越小，疲劳性能越好.     

一种Al-Cu-Mg-Zr合金的疲劳裂纹扩展行为研究

研究热处理状态、应力比和试样取向等对含Zr的Al-Cu-Mg系铝合金疲劳裂纹扩展行为的影响.结果表明,T3、T4两种热处理状态试样的疲劳裂纹扩展速率没有明显差别;L-T方向和T-L方向的试样也有大致相同的疲劳裂纹扩展速率;应力比R对疲劳裂纹扩展行为有明显影响,高应力比下的疲劳裂纹扩展速率明显快于低应力比条件下的扩展速率,并且高应力比下的疲劳裂纹扩展在较小的△K值下进入快速扩展阶段,并很快断裂.在较低的△K水平下应力比的影响与裂纹闭合效应有关.     

A7N01铝合金复合加载下的疲劳裂纹扩展行为

利用CTS试样,研究了A7N01P-T4铝合金母材在I-II型复合加载下,不同加载角度时疲劳裂纹的扩展行为,利用有限元数值计算复合加载下裂纹尖端的应力强度因子(SIF, stress intensity factor)得到了加载角度与裂纹开裂方向的关系,并与由最大周向应力准则导出的关系进行了对比,二者吻合良好;根据疲劳试验和有限元计算的结果,并引入当量应力强度因子,分析了不同加载角下疲劳裂纹的扩展速率. 结果表明,经当量化处理后,各加载角下的裂纹扩展速率曲线基本重合,并且满足Paris公式.     

16Mn钢埋弧焊接头疲劳裂纹扩展速率的研究

对16Mn钢双面埋弧焊CT试样的焊缝、热影响区、母材及垂直焊缝方向的疲劳裂纹扩展速率进行了研究。结果表明,焊接接头的不同部位疲劳裂纹扩展速率不同,平均应力、焊接残余应力、金相组织对疲劳裂纹的扩展速率都有一定的影响。     

应力诱发马氏体相变对TiNi形状记忆合金疲劳过程影响的原位实验观察

利用长距离显微镜（QRMS）对经过精细抛光的试样表面进行观察，原位研究了TiNi形状记忆合金中应力诱发马氏体相变（SIMT）和逆相变对疲劳行为的影响。，包括对应力－应变响应和疲劳裂纹萌生和裂纹扩展规律的影响，并与普通金属的疲劳行为进行了对比。结果表明：TiNi形状记忆合金可逆的应力诱发马氏体相变有利于改善疲劳性能，然而也正是反复发生的SIMT引起 的滑移导致了疲劳裂纹的萌生。此外，在实验中还观察到若干反常的疲劳行为，如恒△K加载时裂纹扩展速率对裂纹长度的依赖性，裂纹扩展时的分叉以及疲劳试样表面出现的大量二次裂纹等现象。     

平板焊接接头裂纹扩展中残余应力重分布的数值模拟

高强度钢平板焊接接头在焊趾处易萌生表面裂纹,裂纹的产生和扩展均会对其焊接残余应力产生一定的影响,进而影响残余应力对结构疲劳强度影响的评估。首先采用ANSYS的APDL语言编写平板焊接接头残余应力数值模拟程序,得到完整结构的初始焊接残余应力的分布规律。然后采用Zen Crack软件模拟半椭圆型初始表面裂纹,并分析结构在出现初始裂纹后残余应力的分布规律。最后施加循环疲劳载荷进行裂纹扩展分析,得到裂纹扩展中的残余应力的重分布规律。     

冷却条件对Cr24Ni16Nb2钢热疲劳性能的影响

采用自约束热疲劳试验方法、金相显微镜和扫描电镜,研究了冷却条件对Cr24Ni16Nb2钢热疲劳性能的影响。结果表明:空冷试样由于晶粒较为均匀,从而随循环次数增加,裂纹长度增加最慢;自然冷却试样由于明显存在柱状晶,使得裂纹更易扩展;水冷试样与空冷试样的扩展规律基本相同。热疲劳裂纹的扩展沿晶界进行,晶界的氧化促进了扩展进程。循环90次后(如180次)试样边缘出现的齿轮状裂纹及裂纹前沿不断加宽,使中心部位的应力得到松弛,从而减慢了裂纹扩展速率。     

残余应力对U75V重轨钢疲劳裂纹扩展速率的影响

通过残余应力测试仪Stress3000测试了不同工艺处理U75V重轨钢表面残余应力,利用Sinco Tec疲劳试验机研究了残余应力对疲劳裂纹扩展速率的影响,并对疲劳断口形貌进行了观察。结果表明:不同工艺处理U75V重轨钢表面残余应力均为压应力,淬火态试样表面平均残余应力大于轧态试样;随退火温度升高和退火时间延长,试样表面残余应力下降明显。随表面残余压应力的增大,疲劳裂纹常数m值逐渐减小,即裂纹扩展速率随着表面残余压应力的增加而减小。断口形貌观察发现表面残余压应力较大时,断口疲劳辉纹更为细小,有利于降低表面疲劳裂纹扩展速率。     

考虑多裂纹的焊趾裂纹扩展行为的数值仿真分析

针对焊趾处存在多裂纹的情况,对多裂纹扩展过程进行了数值仿真.考虑短裂纹扩展阶段,采用M积分计算整个裂纹前沿的应力强度因子,模拟并分析了不同初始表面裂纹间距条件下,该因素对裂纹前沿融合前后的扩展行为的具体影响.结果表明,裂纹间距的不同将直接导致其对整个裂纹前沿前后的应力强度因子的影响的差异;受初始裂纹间距的影响,裂纹前沿断口形貌呈现不同形状;可将相对裂纹间距L/a=1分界拐点作为后续工程研究的有效参考.后续进行了十字焊接接头疲劳验证试验,对仿真结果取得了较好的验证.     

不锈钢在扭转/拉伸复合载荷下的低周疲劳裂纹扩展

研究了从SUS316NG不锈钢圆捧试样的环状预裂纹开始的低周疲劳裂纹扩展行为，分析了扭转／拉伸复合加载时不同载荷比对弹塑性疲劳裂纹扩展的影响．用J积分的指数方程表达了简单加载及复合加载的裂纹扩展速率．对于同样的J积分范围值，Ⅰ型载荷下的裂纹扩展速率最高，而Ⅲ型载荷下的速率最低．裂纹断口在高应力水平下为宏观平坦，在复合加载条件下的疲劳断口上观察到了疲劳条痕，同Ⅰ型加载条件下的相同，疲劳条痕间距与裂纹扩展速率二者数值相等．     

内含硬α夹杂钛合金轮盘裂纹扩展研究

为研究钛合金轮盘内部硬α夹杂疲劳裂纹扩展特性,对含预置硬α夹杂钛合金轮盘开展低循环疲劳裂纹扩展试验。结果表明:5229次循环后轮盘破裂;疲劳断口宏观、微观特征显示,预置硬α夹杂为本次疲劳破坏的疲劳源;在裂纹扩展前期,轮盘断口裂纹扩展速率较材料试验数据快;在裂纹扩展中期,断口裂纹扩展速率曲线呈对数线性关系;为了解决疲劳裂纹扩展后期疲劳条带不易识别的问题,使用等效裂纹扩展模型拟合断口裂纹扩展速率曲线,从而可以利用疲劳条带宽度来计算总寿命。同时,利用断口数据,提出和总结了预置硬α夹杂钛合金轮盘裂纹扩展特性仿真研究的方法。仿真研究显示:基于Paris公式建立裂纹扩展模型能较好地预测轮盘裂纹扩展特性;轮盘由于疲劳发生最终断裂破坏时,裂纹前沿的应力强度因子远大于断裂韧性,因此,不宜使用应力强度因子直接作为破裂准则。     

疲劳载荷下P／M Rene95合金中夹杂物的微观行为研究

采用人工植入Al2O3夹杂的试样，通过SEM下的原位试验，动态跟踪及分析了拉－拉疲劳载荷下P／M Rene95合金中表面或近表面夹杂物的微观行为。结果表明：在所研究的夹杂物的尺度范围内，载荷波形对夹杂物的微观力学行为有很大影响。在三角波加载条件下，虽然夹杂物／基体界面更易萌生裂纹，但表面或近表面夹杂物对试样的断裂影响较小；在正弦波载荷条件下，疲劳裂纹的萌生、扩展及试样的断裂均与表面或近表面夹杂物的基本特性有关。而且，降低正弦波加载时的应力幅值可大大提高夹杂物／基体界面疲劳裂纹的萌生寿命。     

Very low cycle fatigue properties of butt welded joints containing weld defects. Study of acceptable size of defects in girth welds of gas pipelines

Summary

This paper describes an investigation of the very low cycle fatigue strength of HT570 steel welded joints containing weld defects to determine the acceptable size of weld defects in girth welds of underground gas pipelines subjected to cyclic ground displacements due to earthquakes. Butt welded joints containing incomplete penetration (IP), blowholes (BH), lack of fusion in theintermedi‐ate pass (LF), and cracks in the penetration bead (CR) were prepared and tested under strain‐controlled conditions. All specimens tested in the present research study satisfy the fatigue design curve for girth welds of underground gas pipelines. The fatigue strength of specimens containing weld defects generally decreases with an increasing equivalent defect size. The shape of a crack initiated from a defect is affected by the reinforcement, with the surface crack propagating rapidly along the weld toe of the penetration weld over the width of the specimen. The relationship between the J‐integral range and the crack propagation rate under a very low cycle fatigue load is virtually the same as the extension of the relationship in the low J‐integral range. A crack propagation analysis based on the defect being regarded as a crack is performed to determine the relationship between the defect size and the number of cycles over the plate thickness. The critical size of defects in welds of gas pipelines under cyclic ground displacements is proposed by the analysis. The critical crack size of surface defects is applicable to buried defects, because surface defects give a more conservative evaluation than buried defects. The analytical results provide more conservative estimations than the experimental ones.     

Fatigue crack growth behavior of laser-processed 304 stainless steel in air and gaseous hydrogen

Fatigue crack growth test was performed to evaluate fatigue behavior of 304 stainless steel specimens with or without laser processing (welding and surface treatment) in air and gaseous hydrogen. As the crack propagation normal to the laser welding or scan direction, the laser-processed specimens exhibited a higher resistance to crack growth in the low stress intensity factor range (ΔK) than the as-received steel plates regardless of testing environments. However, the marked retardation of crack growth behavior vanished for welded specimens subjected to a 850 °C/h stress relief treatment or with a shorter distance from notch tip to the weld centerline in the test.Fatigue-fractured appearance of the steel plate tested in air was composed of mainly transgranular fatigue fracture and some flat facets, along with a small amount of intergranular fracture. While quasi-cleavage fracture and few twin boundary separations were observed for the same specimen in hydrogen. On the other hand, the lower crack growth rate of laser-processed specimens in both air and hydrogen was accompanied with rubbed areas on the fracture surfaces. It was found that the extent of quasi-cleavage fracture was related to the formation of strain-induced martensite, which would contribute to an increased fatigue crack growth rate of all specimens in gaseous hydrogen.     

基于扩展有限元的Q345R材料平板裂纹扩展模拟研究

Q345R钢具有良好的综合力学性能和工艺性能,是制造压力容器最常用的材料之一。裂纹是造成压力容器失效和破坏的首要原因,在压力容器的检测和维护过程中,对裂纹的产生和发展进行模拟和分析具有重要的意义。本研究针对Q345R钢使用过程中常出现的中心裂纹和单边裂纹两种典型的裂纹形式,运用扩展有限元方法,分别模拟在拉伸状态下的中心裂纹、在低周疲劳作用下的单边裂纹扩展过程;并分析裂纹扩展过程中不断变化的裂纹尖端处的应力、应变,研究裂纹在Q345R材料中的扩展规律。结果表明:在裂纹扩展变化的过程中,应力集中现象首先会在裂纹尖端处出现,裂纹面处的应力最小,裂纹面两端应力对称分布,整个应力分布趋势符合断裂力学理论,证明通过运用扩展有限元方法来对Q345R材料中的裂纹扩展过程模拟分析的可靠性。     

TC4钛合金薄板激光焊接接头的疲劳寿命及断口分析

研究了TC4钛合金薄板激光焊接接头及母材的疲劳性能,并对其疲劳断口进行了观察.结果表明,接头的疲劳寿命在低应力水平时高于母材,在高应力水平时低于母材.母材疲劳裂纹萌生于试样表面;在裂纹扩展区有平行排列的弯曲的二次裂纹和期间更细的疲劳辉纹,瞬断区为细小的等轴韧窝.焊缝疲劳裂纹起源于表面的气孔,源区有笔直且平行排列的二次裂纹;在裂纹扩展区,断口形貌与组织有关,细晶区为韧窝,在细晶与柱状晶交界处为敞口浅韧窝,柱状晶和粗晶区为晶粒大小的刻面,上有大量的微剪切滑移带,断裂机理为滑移带形成及开裂.     

腐蚀疲劳裂纹扩展的断裂模型

将修正的疲劳裂纹扩展静态断裂模型和裂尖腐蚀溶解相结合,提出了腐蚀疲劳裂纹扩展(CFCP)的腐蚀-钝化-断裂模型.根据该模型和断裂力学原理,导出了CFCP速率的定量表达式,它揭示了CFCP速率与力学条件,裂尖表面腐蚀率、加载频率、假设的裂尖材料元临界断裂应力之间的定量关系,并能说明氢脆对CFCP率的影响规律。实验结果表明,应用所提出的模型可很好地描述铝合金在35％NaCI中CFCP的一般规律。     

喷丸对H13钢单边带缺口试样疲劳裂纹扩展行为的影响

喷丸工艺通过改变试件的表面形貌、微观组织及残余应力等表面完整性可以影响裂纹的萌生和扩展;对于存在缺陷的试件,喷丸的作用机制和影响结果有所不同。采用白光干涉仪、SEM、XRD及显微硬度计等对单边带缺口的H13钢薄板试样喷丸前后的表面完整性进行了测定。并借助原位SEM开展了系列裂纹扩展试验,分析了喷丸对试样疲劳寿命、裂纹扩展速率以及疲劳断口特征的影响。研究结果表明,虽然残余压应力诱发裂纹闭合,但由于喷丸后表面粗糙度的大幅提高增强了缺口效应,表面加工硬化使得韧性有所降低,以及残余应力在加载过程中发生松弛等因素,喷丸后单边带缺口试样的裂纹萌生过程缩短,疲劳寿命降低,且裂纹扩展速率的变化较小。喷丸前后疲劳断口形貌均为准解理特征,喷丸后断口近表面处的撕裂棱特征消失。