长时间高温热处理对碳-铝复合材料的影响

本文研究了经长时间(100个时)高温热处理之后碳-铝复合材料的拉伸强度和碳化铝(Al₄C₃)量变化的情况.观察到碳-铝复合材料在495℃长时间热处理其强度降低,在540℃长时间热处理其强度明显下降.碳化铝的数量和强度值在某一温度对在某一时间之后变化趋于平缓.     

单向碳/碳复合材料拉-拉疲劳寿命及剩余强度预测模型

基于预测单向复合材料纵向拉伸强度的随机核模型,引入纤维单丝剩余强度二参数Weibull模型及纤维单丝与基体界面剩余强度模型,研究建立了单向复合材料纵向拉-拉疲劳寿命及剩余强度的预测模型。对经过一定次数拉-拉疲劳载荷循环后的纤维束抽取其纤维单丝进行剩余强度拉伸试验,建立了纤维单丝剩余强度的二参数Weibull模型,测试单向碳/碳（C/C）复合材料的纤维与基体界面强度。通过单向C/C复合材料算例分析表明,92.5%、90.6%和87.5%应力水平下对数预测寿命与对数试验寿命比值分别为0.79、1.00和1.11,表明所建立的寿命预测模型用于预测单向C/C复合材料疲劳寿命是可行的;纵向拉伸剩余强度预测值与试验值误差在10%以内,吻合较好,表明所提出的剩余强度预测模型具有较高的精度。     

三维整体编织物增强陶瓷基复合材料的制备工艺及性能表征

本文研究了以连续碳纤维(C_f)三维整体编织物(3D-B)为增强体,以聚碳硅烷(PCS)裂解转化成碳化硅(SiC)为基体的陶瓷基复合材料(CMC)的制备工艺,探讨了不同工艺方法对复合材料微观和宏观性能的影响,并提出进一步改善制各工艺,提高复合材料性能的途径。研究结果表明,采用聚碳硅烷/二乙烯基苯(PCS/DVB)体系浸渍经交联固化后可以大大缩短裂解时间,致密化效率较聚碳硅烷/二甲苯溶液(PCS/Xylene)体系有着显著提高。对于3D-B C_f/SiC CMC用PCS/DVB体系浸渍经7个浸渍裂解周期后试样密度为1.65g/cm3,弯曲强度达326MPa,断裂韧性K_IC为13.72MPa·m1/2;用PCS/Xylene体系浸渍的试样密度为1.54g/cm3,弯曲强度为243MPa,断裂韧性K_IC为8.19MPa·m1/2。研究中利用扫描电镜观察了弯曲试样的断口以分析材料破坏时纤维的断裂、拨出形貌。     

Al2O3-SiO2纤维增强ZL108合金复合材料的强度特性

用低成本的Al₂O₃-SiO₂系纤维作为增强相,通过加压铸造法制作ZL108合金复合材料,并对该复合材料和ZL108合金进行不同温度下的时效处理和压缩试验。通过DSC、EPMA和TEM分析认为:经488K、0.5h时效处理(T6处理)的V_f 20%的复合材料在573K以下的压缩屈服强度低于ZL108合金,是由于基体中的Mg与Al₂O₃-SiO₂纤维在加压铸造过程中起化学反应而生成MgAl₂O₄,损耗了基体中的大量Mg,导致基体铝合金时效硬化效果很差,所以压缩屈服强度低下。623K、720h保温后的V_f 20%的复合材料的压缩屈服强度比ZL108合金要高得多,是由于在这种温度环境下对ZL108合金来说是过时效,所以纤维的增强怍用显得明显。在高温(673K)下V_f 20%的复合材料的屈服强度比ZL108台金高一倍左右。不论在什么温度场合下V_f5%的复合材料的屈服强度比V_f 20%的复合材料都低。     

碳纤维束疲劳损伤失效试验

为了解碳纤维束的疲劳特性及疲劳加载后剩余强度的变化, 为建立碳纤维复合材料疲劳性能的细观力学分析模型提供必要的基础数据, 研究设计了碳纤维束静载力学性能及疲劳特性试验方案, 并进行了试验。采用最小二乘法拟合得到了单束碳纤维的应力-寿命(S-N)曲线。对经过预疲劳的碳纤维束试验件进行了剩余强度试验, 采用最小二乘法拟合得到了碳纤维束疲劳加载剩余强度模型。试验结果表明: 试验所用碳纤维束的条件疲劳极限为静拉伸强度的80.47%; 碳纤维束经历一定循环次数的拉-拉疲劳可以提高其强度, 其剩余强度随着疲劳加载循环次数的增加先增加后减小。     

纤维碳复合材料的最近进展

为了满足飞行器结构对碳纤维复合材料性能的要求,最近已研制生产出中模量(295Gpa)、高强度(5590Mpa)的TORAYCA800碳纤维。采用T800碳纤维大大地改善了主要由纤维起控制作用的复合材料的拉、压模量,带孔、无孔拉伸强度以及穿透载荷等性能。但是,纤维模量和强度的增加对复合材料的横向拉、压强度以及面内剪切强度并没有影响。本文还从改善复合材料在冲击后的横向开裂和横向压缩强度两个方面叙述了树脂基体的最近进展情况。     

自生复合Al11La3/Al共晶材料的轴向拉伸性能及其断裂机制

本文研究了自生复合Al₁₁La₃/Al共晶材料从室温到673K时的轴向拉伸性能和轴向拉伸断裂机制.结果表明:在G=700K/cm、R=11.1μm/s的定向凝固条件下,该材料轴向拉伸性能在室温时为260MPa、在673K时为265MPa.对拉伸过程的动态观察和断口形貌的分析表明:自生复合Al₁₁La₃/Al共晶材料在室温到673K温度范围内,其轴向拉伸断裂机制相同:纤维相Al₁₁La₃的断裂是整个共晶体断裂的控制机制:其轴向拉伸的断裂模型为:弹性变形、裂纹萌生、界面脱粘、搭桥过程、宏观断裂.     

(Al2O3)f/Al复合材料在强界面结合下的疲劳损伤模式

在拉-拉载荷下测定了(Al₂O₃)_f/Al复合材料的疲劳寿命(S-N)曲线。通过夭折试验以及SEM疲劳断口和纵截面组织结构分析,研究了复合材料的疲劳损伤模式。研究结果表明,(Al₂O₃)_f/Al复合材料的疲劳极限为750MPa,远高于SCS-6碳化硅纤维增强钛基复合材料。该复合材料兼有钛基和树脂基纤维复合材料疲劳损伤的特点,高应力下由单个裂纹的起源和生长导致复合材料的失效;低应力下,疲劳损伤模式包括纤维劈裂、众多基体裂纹和单个基体裂纹的横向扩展。其中纤维劈裂是主控机制。其更高的疲劳极限可归因于低应力下纤维的纵向劈裂。     

高锰奥氏体低温钢力学性能及Hall-Petch关系的研究

高锰奥氏体低温钢作为一种经济型低温钢材料,具有非常巨大的发展空间.为进一步研究晶粒尺寸对高锰奥氏体低温钢的影响,本文对其进行了不同工艺的固溶处理,测试了不同晶粒尺寸实验钢的室温拉伸及低温冲击性能, 通过扫描电镜(SEM)、背散射电子衍射(EBSD)等方法进行表征并计算其Hall-Petch关系式.-196 ℃冲击实验结果表明,高锰奥氏体低温钢拥有良好而稳定的超低温冲击性能,且其超低温冲击性能不随晶粒尺寸的增加而发生变化.经计算实验钢屈服强度所对应的Hall-Petch常数K_y为7.27 MPa·mm^0.5,明显小于其他被研究的奥氏体高锰钢.进一步计算拉伸过程中不同真应变ε对应的Hall-Petch常数K(ε),发现在拉伸过程中,受TWIP效应产生的变形孪晶影响,K(ε)值随应变量的增加而增加;当真应变达到0.3时,组织内变形孪晶不再继续生成,加工硬化过程不再进行,K(ε)也达到极大值.     

超声血流向量成像技术探讨颈动脉球部壁面剪切应力的影响因素

目的：运用超声血流向量成像(Vector Flow Imaging, V Flow)技术探讨颈动脉球部自体解剖结构及血流动力学因素对壁面剪切应力(Wall Shear Stress, WSS)的影响。方法：选取颈动脉超声检查正常患者 70例,将 V Flow感兴趣区置于颈总动脉分叉部及颈内动脉起始段。测量颈动脉球部与颈总动脉间角度(θ)、测量收缩末期颈动脉球部(Carotid Bulb, CB)膨大最明显处内径(D_CB)与颈总动脉末段内径(D_CCA)的比值(D_CB/D_CCA)、测量颈动脉球部分流量(Q_CB)与颈总动脉末段流量(Q_CCA)的比值(Q_CB/Q_CCA)、描记颈动脉球部血流紊乱区可视化面积(A_CB)以及测量颈动脉球部起始段内侧平均壁面剪切应力(WSSI-CB)和外侧平均壁面剪切应力(WSS_E-CB),并对上述各项参数进行统计学分析。结果：(1)颈动脉球部起始段 WSS_I-CB值为(0.88±0.30) Pa,外侧 WSS_E-CB值为(0.32±0.15) Pa,外侧壁明显小于内侧壁,差异有统计学意义(P<0.01)。(2)颈动脉球部与颈总动脉夹角 θ值为(24.5±12.1)°,与 WSS_E-CB相关系数为r=-0.171,二者无相关性且差异无统计学意义(P>0.05);颈动脉球部膨大最明显处内径与颈总动脉末段内径比值 D_CB/D_CCA为(0.66±0.09),与 WSS_E-CB值呈负相关,相关系数为r=-0.312,差异有统计学意义(P<0.05)。(3)颈动脉球部分流量与颈总动脉末段流量比值Q_CB/Q_CCA为(0.69±0.15),与 WSS_E-CB值呈正相关,相关系数为r=0.428,差异有统计学意义(P<0.01);颈动脉球部血流紊乱区面积 A_CB为(0.27±0.17) cm²,与 WSSE-CB值呈负相关,相关系数分别为 r=-0.545,差异有统计学意义(P< 0.01)。结论：颈动脉球部血流量、血流紊乱区面积及膨大程度是影响外侧壁面剪切应力 WSS的主要因素,而与颈动脉球部发出角度的关系并不密切。     

Influence of inclusion size on S-N curve characteristics of high-strength steels in the giga-cycle fatigue regime

Fatigue fracture of high-strength steels often occurs from small defect on the surface of a material or from non-metallic inclusion in the subsurface zone of a material. Under rotating bending loading, the S-N curve of high-strength steels consists of two curves corresponding to surface defect-induced fracture and internal inclusion-induced fracture. The surface defect-induced fracture occurs at high stress amplitude levels and low cycles. However, the subsurface inclusion-induced fracture occurs at low stress amplitude levels and high-cycle region of more than 10⁶ cycles (giga-cycle fatigue life). There is a definite stress range in the S-N curve obtained from the rotating bending, where the crack initiation site changes from surface to subsurface, giving a stepwise S-N curve or a duplex S-N curve. On the other hand, under cyclic axial loading, the S-N curve of high-strength steels displays a continuous decline and surface defect-induced or internal inclusion-induced fracture occur in the whole range of amplitudes. In this paper, influence factors on S-N curve characteristics of high-strength steels, including size of inclusions and the stress gradient of bending fatigue, were investigated for rotating bending and cyclic axial loading in the giga-cycle fatigue regime. Then, based on the estimated subsurface crack growth rate from the S-N data, effect of inclusion size on the dispersion of fatigue life was explained, and it was clarified that the shape of S-N curve for subsurface inclusion-induced fracture depends on the inclusion size.     

高强度钢30Cr3SiNiMoVA的疲劳特性研究

为了获得超高强度钢30Cr3SiNiMoVA的疲劳设计数据,对该材料进行了疲劳性能实验。分别对该材料的抛光和未抛光试样进行轴向拉压疲劳实验。用升降试验法测定材料的条件疲劳极限,用成组实验法在四级应力水平下测试其疲劳寿命。结合升降法所得的条件疲劳极限值和成组法实验数据,采用双参数最小二乘法拟合S-N曲线,运用概率方法求得P-S-N曲线。通过对两种试样的S-N曲线分析可知:未抛光试样的疲劳寿命要低于抛光试样的疲劳寿命,并且疲劳载荷级越低,两类试样之间的疲劳寿命差越大,抛光试样的疲劳极限大约是未抛光试样的1.4倍。相关实验现象表明30Cr3SiNiMoVA的疲劳寿命对试样表面粗糙状态非常敏感,建议该类材料在应用过程中要采取有效措施改善构件的表面状态。文中实验数据可为该材料的工程应用提供参考。     

基于三参数威布尔分布的自动调整臂疲劳寿命的P-S-N曲线研究

通过疲劳试验研究了自动调整臂矩形压缩弹簧的疲劳寿命、疲劳变形以及破坏特征等。试验结果表明:疲劳应力载荷作用下,矩形压缩弹簧中间应力集中部位会产生裂纹,随着应力水平提高,裂纹变大,使得其传递转矩能力减弱;利用最小二乘法及最大相关系数法拟合自动调整臂疲劳寿命,可知其疲劳寿命服从三参数威布尔分布;根据三参数幂函数形式的S-N曲线方程,建立自动调整臂在不同应力下的P-S-N曲线,通过自动调整臂试验与理论疲劳极限寿命的比较表明,两者相对误差较小。     

K节点应力集中系数的试验和数值研究方法

工程中常用的评价海洋平台中管节点疲劳寿命的方法是使用S-N曲线。当管节点承受疲劳载荷作用的时候,可以通过数值或者试验方法得到沿着焊缝处的热点应力幅的大小。然后通过S-N曲线,可以预测此节点在破坏前可以承受疲劳载荷的循环次数。应力幅的大小可以由应力集中系数这个参数来确定。对K型节点在承受基本载荷作用下的应力集中系数进行了数值和试验分析,得到了各种基本载荷作用下K节点沿着焊缝处应力分布情况和极值应力点的位置。     

各种平均应力下高周疲劳极限间的定量关系

疲劳极限是材料工程应用中的一个重要特性参数,但它并不是材料常数。在不同循环载荷作用下,材料会有不同的疲劳极限值。疲劳极限值很大程度上依赖于循环载荷中的平均应力或最大应力幅值,两者之间的关系是材料自身固有的特性关系。因为在接近疲劳极限的低循环应力幅下,S-N曲线受疲劳极限控制,所以在工程应用中对其定量关系有迫切的需求,但现有的经典经验关系只能对其进行非常粗略的估算,不能满足工程应用中有关寿命设计的需要。现状是只能通过大量的实验,得出其实验关系。该文提出了一种函数形式的关系式,该关系式可以足够精确地描述各种材料的疲劳极限和平均应力之间的关系,且只包含三个材料常数。只要这三个材料疲劳特性常数被事先确定,则任意疲劳载荷下的疲劳极限值,都可由该关系式估计得到,因此可以作为材料本身固有的疲劳强度的状态关系式使用。     

Al-7Si-0.3Mg铸造合金的旋转弯曲疲劳性能研究

研究了M-7Si-0.3Mg铸造铝合金的室温旋转弯曲疲劳性能。结果表明,A1-7Si-0.3Mg铸造铝合金在10~7次疲劳寿命下的极限应力为88 MPa;结合对疲劳试样断口的分析发现,在高应力低寿命区,A1-7Si-0.3Mg合金试样的表面划痕和缺陷造成了材料的表面破坏模式;而在低应力高寿命区,试样内部近表面区的铸造孔洞则是引起材料疲劳破坏的主要原因。使用Paris公式推导出孔洞尺寸和疲劳寿命之间的关系,并计算出不同应力水平条件下的临界孔洞尺寸。     

DD6单晶高温合金振动疲劳性能及断裂机理

研究[001]取向的DD6单晶高温合金的室温振动疲劳S-N曲线,并获得了其室温振动疲劳极限。利用体视显微镜、扫描电子显微镜、背散射衍射等手段对DD6单晶高温合金振动疲劳断裂机制进行分析。结果表明:采用S-N法估算得到的[001]取向的DD6单晶高温合金室温振动疲劳极限约为337.5MPa。振动疲劳裂纹断口呈现单个或多个沿{111}晶体学扩展平面组成的形貌特征,断口上分为疲劳源区和疲劳扩展区两个阶段,裂纹在应力最大截面处的表面或内部缺陷处萌生,呈单源特征,疲劳扩展区呈现类解理断裂特征,未出现典型的疲劳条带特征。说明沿{111}晶面滑移是DD6单晶高温合金室温振动疲劳断裂的主要变形机制,断口上的类解理扩展平面以及微观上类解理花样是DD6单晶高温合金室温振动疲劳断裂的主要特征。     

FATIGUE DESIGN CRITERION FOR WELDED STRUCTURES

Abstract— For continuously welded structures subjected to cyclic loading, the highly stressed zones where cracks initiate and lead to failure are usually located at weld toes. At these critical points, called hot-spots, the very local stress states are difficult to determine so that standard fatigue criteria are very difficult to apply for fatigue life prediction.
This work presents a fatigue design criterion for continuously welded thin sheet structures, based on a unique S-N curve. The approach, which refers to the hot-spot stress concept, defines the design stress S as the geometrical stress amplitude at the hot-spot.
In practice, the geometrical stress state is calculated by means of the finite element method (FEM) using thin shell theory. Meshing rules for the welded connection, which can be applied methodically to any welding situation, allow the hot-spot location, and therefore the design stress of any structure, to be determined.
Experimental data and FEM calculations show that a unique S-N curve can be obtained whatever the geometry of the welded structure and the loading mode.     

A structural stress definition and numerical implementation for fatigue analysis of welded joints

A mesh-size insensitive structural stress definition is presented in this paper. The structural stress definition is consistent with elementary structural mechanics theory and provides an effective measure of a stress state that pertains to fatigue behavior of welded joints in the form of both membrane and bending components. Numerical procedures for both solid models and shell or plate element models are presented to demonstrate the mesh-size insensitivity in extracting the structural stress parameter. Conventional finite element models can be directly used with the structural stress calculation as a post-processing procedure. To further illustrate the effectiveness of the present structural stress procedures, a collection of existing weld S-N data for various joint types were processed using the current structural stress procedures. The results strongly suggests that weld classification based S-N curves can be significantly reduced into possibly a single master S-N curve, in which the slope of the S-N curve is determined by the relative composition of the membrane and bending components of the structural stress parameter. The effects of membrane and bending on S-N behaviors can be addressed by introducing an equivalent stress intensity factor based parameter using the structural stress components. Among other things, the two major implications are: (a) structural stresses pertaining to weld fatigue behavior can be consistently calculated in a mesh-insensitive manner regardless of types of finite element models; (b) transferability of weld S-N test data, regardless of welded joint types and loading modes, can be established using the structural stress based parameters.     

基于8.8级螺栓疲劳性能的预紧力优化

测量了8.8级螺栓的拉伸性能,根据螺栓材料的强度极限和屈强比研究了预紧力分别为强度的10%、30%和50%的极限条件下材料的疲劳性能。结果表明,当8.8级螺栓的预紧应力从10%强度极限提高到50%强度极限时,其疲劳极限由370 MPa降低到263 MPa。根据有效应力(σˉσˉ)参数法处理预紧应力对8.8级螺栓疲劳曲线的影响,得到了疲劳极限处的有效应力(σˉ10^7=562.75MPaσˉ10^7=562.75MPa)。当有效应力σˉ<σˉ10^7σˉ<σˉ107时预紧的8.8级螺栓不会发生疲劳失效,由此得到了8.8级M6和M27两种螺栓在不同应力比下所对应的最大预紧力和预紧扭矩曲线。