一种疲劳-蠕变交互作用寿命预测模型及试验验证

基于延性耗竭理论和损伤力学,对材料疲劳-蠕变交互作用下的延性消耗、损伤、循环周次和失效寿命之间的关系进行了分析,在此基础上,建立了一种疲劳-蠕变交互作用的寿命预测模型,模型形式简单,非常便于实际工程应用。通过1.25Cr0.5Mo钢光滑试样540℃和520℃环境下应力控制的梯形波加载试验,用该模型进行了失效寿命的预测,可以很好地解释相同温度和加载条件下的寿命波动,预测结果与实测结果符合较好。     

高温316L钢非线性疲劳蠕变损伤演化模型及其应用

为了研究高温两级和多级疲劳蠕变载荷作用下计及载荷历程效应的寿命预测方法,文中首先基于韧性耗竭理论提出一种非线性疲劳蠕变损伤演化模型,并通过316L不锈钢高温单级应力、温度疲劳蠕变试验,确定模型中的损伤指数,以该损伤模型结合多级加载的损伤破坏准则对高温两级应力、温度疲劳蠕变载荷作用下316L钢的寿命进行预测,得出与试验较...     

高温比例与非比例加载下多轴疲劳寿命预测

针对拉扭多轴疲劳加载情况,分析最大剪切平面上的应变特性。利用临界损伤平面原理确定不同加载参数下的临界损伤平面,在此基础上提出一种基于单轴疲劳材料常数和高温蠕变特性的高温多轴疲劳寿命预测模型。利用高温合金材料GH4169薄壁管疲劳试样在控制应变拉扭循环加载下的试验数据,对所提出的寿命模型进行验证。结果表明,在高温低周拉扭循环加载下,所提出的高温疲劳寿命预测模型可以较好地预测高温疲劳寿命。     

1.25Cr0.5Mo钢缺口试样高温疲劳蠕变交互作用的试验研究

通过对1.25Cr0.5Mo钢半圆和V型缺口试样520℃和540℃环境下应力控制的梯形波加载试验,对1.25Cr0.5Mo钢缺口试样高温环境下疲劳蠕变交互作用的规律进行了研究。研究表明:1.25Cr0.5Mo钢缺口试样在高温环境下对应力的敏感性不高;与光滑试样不同,缺口试样高温环境疲劳蠕变交互作用下的破坏机制以疲劳为主;缺口试样高温环境疲劳蠕变交互作用的断裂寿命主要应力、温度和缺口形状的影响。     

420℃下16MnR钢的寿命预测方法及疲劳设计曲线研究

提出另一种循环总应变能密度疲劳寿命预测方法，根据不同的应力比，给出对疲劳损伤起作用的循环总应变能密度计算表达式。针对应力控制下的脉动循环试验，设计两种加载方式把循环蠕变对寿命的影响与疲劳的影响区别开，将循环蠕变损伤与疲劳损伤进行线性累积，得到16MnR钢420℃兼有疲劳、循环蠕变影响的寿命预测方法，预测结果与实测结果吻合良好。将循环蠕变对寿命的影响扣除在外，得到16MnR钢375℃～420℃之间的疲劳设计曲线，对JB4732—95疲劳设计曲线作有益的补充。     

三种疲劳蠕变交互作用寿命预测模型的比较及其应用

对疲劳蠕变交互作用寿命预测方法进行简单回顾,并分别介绍从能量耗竭、韧性耗竭、延性耗竭角度提出的三种应力控制疲劳蠕变寿命预测方法.通过文献试验数据和1.25Cr0.5Mo钢520℃应力控制、梯形波加载试验数据对上述三种模型的优缺点和适用范围进行评价.三种方法的预测精度都大大高于传统的频率分离法和应变能频率分离法;能量模型对应力应变控制模式都适用,延性耗竭模型预测精度最高,平均应变速率模型形式最简单,适用于应力控制下纯蠕变、纯疲劳或疲劳蠕变交互作用下的各种失效组合模式,拓宽了Monkman-Grant经验关系式的应用范围,因此具有重要的工程应用价值和应用前景.最后阐述平均应变速率模型的应用步骤.     

低周疲劳下45钢的寿命预测

选取带有V型缺口45钢试样,通过控制加载过程中的应变幅,研究缺口对试样疲劳寿命的影响.并应用低周疲劳寿命预测理论,提出了修正的Manson寿命预测模型,用来预测带有V型缺口中45钢的低周疲劳寿命.模型的预测结果和试验结果吻合很好.     

1.25 Cr0.5Mo 钢高温疲劳蠕变交互作用的寿命预测

通过1.25Cr0.5Mo钢光滑试样540℃环境下应力控制的梯形波加载试验,对1.25Cr0.5Mo钢高温环境下疲劳蠕变交互作用的寿命预测进行了研究。研究表明:在本次试验的情况下,频率分离法、频率分离法的应变能修正法可以变形成一个统一的模型表达式。用此模型对1.25Cr0.5Mo钢540℃环境疲劳蠕变的交互作用进行了寿命预测,预测结果与实测结果符合较好。     

304H板材焊接接头蠕变疲劳失效分析

通过具有保持时间的高温蠕变疲劳试验研究了不锈钢304H材料在相同条件下母材、焊接过程中超声波消应力以及不消应力的失效行为,并对失效后断口宏微观形貌进行分析。结果表明,断裂位置均发生在距离焊缝一定距离的母材上,失效寿命基本一致,焊接时超声波消应力处理不能提高蠕变疲劳寿命,加载过程中循环应力应变不稳定、不封闭且向右推移,从而造成材料延性耗竭而断裂,失效断口为穿晶韧窝断裂。     

基于最弱环理论的缺口件概率疲劳寿命预测方法

基于最弱环理论和光滑试样疲劳寿命的Weibull分布,建立了一种缺口件概率疲劳寿命预测方法。该方法首先基于最弱环理论和光滑试样的疲劳强度分布,通过定义缺口件的Weibull有效应力,建立了缺口件在给定循环载荷下的疲劳失效概率计算公式。基于Weibull有效应力和光滑试样的疲劳应力-特征寿命方程,可计算得到给定循环载荷时缺口件的特征疲劳寿命,进一步根据光滑试样的Weibull疲劳寿命分布可最终获得缺口件在给定循环载荷下的疲劳寿命分布。采用上述方法对TC4缺口试样进行了概率疲劳寿命预测,并与局部应力应变法预测结果进行了对比。结果表明:局部应力应变法预测结果过于保守,本文方法预测精度较高,50%失效概率时的疲劳寿命预测结果与缺口试样试验均值寿命吻合很好,10%和90%失效概率时的疲劳寿命预测结果基本分布在试验均值寿命的两倍分散带之内。     

椭圆方程式的多轴疲劳寿命预测模型

建立一种椭圆方程式的多轴常幅疲劳寿命预测模型,该模型采用临界平面概念,以临界平面上的最大切应变幅和法向应变程作为基本参数,并引入最大等效应力来考虑非比例循环附加硬化的影响。对该模型的理论分析表明,在单轴拉伸及单轴扭转应力状态下该模型能退化为常规的疲劳应变寿命模型,具有很好的兼容性。采用现有的304不锈钢和S45C钢材料的多轴疲劳试验数据对该模型及其他几种经典的多轴疲劳寿命模型进行寿命预测分散带及标准差的对比,结果显示该疲劳寿命预测模型的寿命分散带和标准差最小。分析表明,所建立的疲劳寿命预测模型可同时适用于多轴比例与非比例循环加载,且具有较小的寿命分散带和标准差,预测精度高,材料适用范围较广,计算方便可行。     

一种基于参数影响的数据驱动下的疲劳寿命预测方法

金属构件的主要失效方式是在循环载荷作用下的疲劳破坏,因此金属构件的疲劳寿命预测对于保证结构安全性和可靠性十分必要。能量法是一种既能用于低周疲劳寿命预测,也能用于高周疲劳寿命预测的方法,其以寻找有效的显式能量损伤参量为手段,结合适当的损伤积累方式进行寿命评估。针对材料疲劳寿命预测问题,提出一个基于能量法和人工神经网络算法的疲劳寿命预测方法。为了达到反映不同加载路径影响的目的,从转动惯量的角度引入两个路径相关参量。使用基于应变控制的九种材料的疲劳试验数据对提出的神经网络模型进行训练、测试。结果显示模型对训练数据和测试数据均有良好的预测精度,并可对单轴加载、多轴加载、高周疲劳和低周疲劳寿命进行有效预测,表明本模型在多轴疲劳寿命预测方面具有较广泛的适用性。     

基于灰色理论镍基单晶合金多轴非比例加载低周疲劳研究

基于灰色理论研究DD3镍基单晶合金高温多轴非比例加载低周疲劳特性,对等效应变范围、温度、应变路径角、拉/扭载荷相位角和轴向应变比等影响疲劳寿命的因素进行灰色关联度分析,并引入损伤参量Q表征非对称循环特性和拉/扭多轴效应,以参量Q、等效应变范围Δεe和Mises等效应力范围Δσe构造疲劳损伤参量,建立低周疲劳寿命GM(1, N)预测模型。结果表明,各影响因素与多轴低周疲劳寿命的关联度等级依次为等效应变范围、温度和应变路径角为一级,拉/扭载荷相位角为二级,轴向应变比为三级;680 ℃和850 ℃温度下的GM(1, N)疲劳寿命模型的预测寿命与试验寿命的绝对关联度分别为0.97、0.86,平均相对误差分别为4.9%、6.0%;两种温度的试验数据几乎分别落在1.93、2.13倍偏差分布带内。     

基于局部应力应变场强法的结构声疲劳寿命估算

针对带有缺口薄壁结构的声疲劳寿命估算问题,研究了基于局部应力应变场强的缺口结构随机疲劳寿命估算方法。该方法能同时考虑局部应力应变梯度和多轴应力应变对疲劳损伤的影响。以薄壁开孔柱壳结构为对象,在声激振响应分析基础上,计算出孔边局部位置处的应变场强谱,并估算出疲劳寿命。对比分析表明,该方法对带有缺口薄壁结构声疲劳寿命估算具有可行性。     

多轴非比例低周疲劳寿命估算方法的研究

利用临界面法、有限元法和实验分析方法对多轴加载条件下低周疲劳寿命估算问题进行了研究。确定了试件在单轴加载、双轴比例加载、双轴非比例加载、三轴比例加载和三轴非比例加载条件下，6种疲劳损伤参量的最大值及临界面位置。在此基础上，估算了试件在不同加载条件下的疲劳寿命，并对损伤模型进行评估。     

多轴随机应变加载下铝合金缺口件有限元分析及寿命预测

在应变控制下对7075-T7451铝合金实心棒带U型环状缺口试件进行拉—扭比例、非比例恒幅和随机加载疲劳试验。查明名义剪切应力最大值与轴向应力最大值的下降规律,并用两者最先开始下降时的循环数比值来评估裂纹萌生寿命。利用弹塑性有限元法分析不同加载条件下试件缺口根部的循环应力、应变响应。基于有限元计算得到的应力、应变结果,采用拉伸型多轴疲劳损伤模型预测随机加载条件下缺口试件的疲劳裂纹萌生寿命,计算结果与试验得到的寿命比较吻合。     

考虑加载历史影响的蠕变律

考虑到蠕变过程中,材料内部微观结构的变化,会使材料的变形行为发生改变,本文引入硬化状态变量表征加载历史对材料变形行为的影响,提出的蠕变律可以正确反映蠕变三个阶段的变形规律,由此导出的蠕变损伤演变方程与加载历史有关。其结果可以为分析多级蠕变加载时损伤演变过程和剩余寿命估算提供新的思路。     

Investigation of high cycle and low cycle fatigue interaction on fretting behavior

Fretting-fatigue behavior and damage accumulation under a variable-amplitude cycling load is investigated in a configuration involving a cylindrical indenter in contact with finite width plate. Relative magnitudes of cyclic tangential and bulk loads not only affect the contact conditions, but also their relative positions with respect to each other. Several stick–slip conditions on the contact surface may develop during the application of variable-amplitude fatigue load, and these are secondary and tertiary slips as well as shake-down. Further, residual shear traction develops during the application of cyclic load. The appropriate characterization of fretting-fatigue behavior or life should, therefore, include the complete history of applied cyclic tangential and bulk loads. Furthermore, experiments from a previous study conducted under a variable-amplitude fatigue loading condition are analyzed to characterize the damage accrual from its individual components involving constant-amplitude fatigue load by incorporating the contact mechanics and a multi-axial fatigue critical plane parameter. This analysis shows that there is nonlinear damage accumulation during variable-amplitude fretting-fatigue load.     

Life estimation of Ti-6Al-4V specimens subjected to fretting fatigue and effect of surface treatments

Suitability of different multi-axial parameters in predicting fretting fatigue life of Ti-6Al-4V specimens has been investigated. Ameliorating effect of surface treatments on fretting fatigue has been studied. In simple uni-axial/multi-axial fatigue tests, nucleation as well as propagation of cracks occur under the influence of identical stresses. Hence nucleation accounts for most of the total life. Fretting fatigue crack nucleation occurs due to very large contact stresses, effect of which is felt only close to the surface (due to steep gradients). Propagation mostly occurs due to lower stresses in the bulk of the material (negligible influence of contact tractions) and forms a significant portion of total life. Total life has to be taken as sum of initiation life calculated from different multi-axial fatigue parameters and propagation life from conventional fracture mechanics approach. Steep stress gradients necessitate the adoption of a statistics based approach to predict the crack initiation life, based on an assumed distribution of flaws. The quality of comparison between predicted and experimentally observed failure lives provides confidence in the notion that conventional fatigue life prediction tools can be used to assess fretting fatigue failure. Effect of surface treatments like shot-peening with or without additional surface coatings on total life of the specimen and on friction coefficient has been studied.     

Fretting fatigue of single crystal nickel at 600 °C

An experimental setup has been developed to conduct fretting fatigue tests at 610 °C and fretting fatigue lives are characterized for the contacting pair of IN100 and single crystal nickel subjected to a range of loading conditions. A well characterized set of experiments have been conducted to obtain the friction coefficient in the slip zone. A robust quasi-analytical approach, based on solution to singular integral equations, has been used to analyze the contact stresses. Different multi-axial fatigue parameters have been investigated for their ability to predict the initiation life of the specimens. An estimation of crack propagation life was made using conventional fracture mechanics approaches, after making certain assumptions to simplify the problem. Total life was predicted using nucleation life from different parameters and propagation life from conventional fracture mechanics approach. These predicted lives were compared with experimentally observed failure lives. The quality of the comparison provides confidence in the notion that conventional life prediction tools can be used to assess fretting fatigue at elevated temperatures.