温度和应力比对航空铝合金疲劳裂纹扩展规律的影响及其机理

针对7475-T761航空铝合金中心开裂(MT)试样进行了不同温度、不同应力比条件下的一系列疲劳裂纹扩展试验,得到了相应试验条件下的疲劳裂纹扩展数据与规律,讨论了应力比、环境温度对疲劳裂纹扩展行为的影响,并利用扫描电镜(SEM)观测分析了疲劳断口。结果表明:7475-T761铝合金疲劳裂纹扩展速率随应力比、温度的增加而增加;消除裂纹闭合效应影响后,相同温度不同应力比下的da/dN-ΔKeff可由同一拟合公式描述;高温时弹性模量和材料抗拉强度的下降以及裂纹表面氧化导致裂纹扩展速率较快;对比不同条件下稳定扩展区疲劳条带宽度验证了试验分析结论。     

低温环境下桥梁钢Q345qD疲劳裂纹扩展行为研究

为了明确在寒冷地区服役桥梁钢的疲劳裂纹扩展行为,以16 mm厚桥梁钢Q345qD为研究对象,完成了室温和低温下的夏比冲击韧性试验、疲劳裂纹扩展速率试验和疲劳裂纹扩展门槛值试验。结果表明,夏比冲击功和试样断口剪切断面率随温度的降低而减少;在应力比0.1、0.2和0.5条件下,疲劳裂纹扩展速率均随温度降低而变缓,该桥梁钢的疲劳韧-脆转变温度点在-60℃以下;在室温~-60℃,其裂纹扩展速率均对应力比的变化不敏感;应力比0.1条件下的疲劳裂纹扩展门槛值随温度的降低有略微增大的趋势。该批次桥梁钢表现出了良好的抵抗低温疲劳裂纹扩展性能,防止低温脆性破坏成为疲劳设计的重点;试验数据能为钢结构桥梁的进一步抗低温疲劳和防低温冷脆断裂设计提供参考。     

激光增材制造体育器材用TC4钛合金疲劳裂纹扩展行为研究

目的 揭示应力比对增材制造TC4钛合金疲劳裂纹扩展行为的影响规律。方法 采用紧凑型拉伸试样,在恒载荷幅条件下对激光增材制造TC4钛合金进行了应力比为0.1、0.3和0.5的疲劳裂纹扩展实验,定量评价了不同应力比下合金的疲劳裂纹扩展速率和变化规律。基于Paris公式对裂纹扩展速率进行了拟合,分析了应力比对各参数的影响规律。最后通过扫描电镜对断口表面形貌进行了观察,分析了应力比对断裂模型的影响。结果 在相同的?K条件下,疲劳裂纹扩展速率随着应力比的增大而增大。在Paris公式中,参数C随应力比的增大而减小,参数m随应力比的增大而增大,并且m和lg C呈现线性关系。随应力比的增大,断口表面的河流花样增多、疲劳辉纹变浅、二次裂纹数量增加。结论 应力比引起的裂纹尖端闭合效应和平面应力比变化是导致裂纹扩展速率发生改变的主要原因。     

用直流电压降法研究高温下GH3230合金的疲劳裂纹扩展行为

采用直流电压降法对GH3230合金进行了高温下的疲劳裂纹扩展试验,分析了温度及应力强度因子对GH3230合金疲劳裂纹扩展速率的影响,并利用扫描电子显微镜对断口进行分析。结果表明：在相同的应力强度因子下,随着温度的升高,合金的裂纹扩展速率增大;温度从750℃升高到850℃时,裂纹扩展速率明显增大,从850℃升高到950℃时,小应力强度因子下的裂纹扩展速率相差不大,随着应力强度因子的增大和温度的升高,裂纹扩展速率的差距增大;观察断口表面可知,在裂纹扩展区和瞬断区,断口表面呈现典型的疲劳辉纹和韧窝特征,随着温度的升高,断口表面的氧化物颗粒增多,裂纹扩展区的疲劳辉纹不明显。     

TC11钛合金全范围疲劳裂纹扩展速率表征

通过疲劳裂纹扩展试验研究了TC11钛合金在不同取向及应力比下的疲劳裂纹扩展行为。结果表明:在相同应力强度因子的情况下,随着应力比的增大,TC11钛合金的疲劳裂纹扩展速率增大。通过TC11钛合金的拉伸性能对裂纹扩展门槛值进行估算,得到了可以对TC11钛合金进行全范围疲劳裂纹扩展速率预测的疲劳裂纹扩展模型,为进一步估算其疲劳寿命提供了依据。     

YB-DM-10航空定向有机玻璃疲劳裂纹扩展性能

通过研究定向有机玻璃(YB-DM-10)疲劳裂纹扩展性能,得到该种定向有机玻璃疲劳断裂阈值。发现其疲劳裂纹扩展速率曲线遵循Pairs公式以及Walker公式。研究平面内不同角度、不同频率和应力比对疲劳裂纹扩展的影响;通过对比Paris公式以及Walker公式的回归系数以及断裂表面不同阶段的扫描图像,分析不同参数对疲劳裂纹扩展的影响。结果表明:材料板材平面内,不同切割角度的试样疲劳裂纹扩展速率基本相同;加载频率对疲劳裂纹扩展速率影响不大,但在da/d N-ΔK曲线的第三阶段,数据有分离的趋势;相同的ΔK情况下,应力比增大,疲劳裂纹扩展速率增加。本工作结果为该种定向有机玻璃的应用以及航空座舱透明件损伤容限性能研究奠定了基础。     

应力比对航空高强LD2CZ铝合金腐蚀疲劳裂纹扩展的影响

利用扫描电镜联合液压伺服试验机,并借助于Walker公式研究了应力比对预腐蚀不同时间航空高强LD2CZ铝合金疲劳裂纹扩展的影响,在应力比分别为0．05,0．5,0．7的条件下对预腐蚀0,15,30d的LD2CZ铝合金单边缺口板状试样进行了疲劳加载试验,得到了其疲劳裂纹扩展速率曲线,并拟合出了Walker公式中的材料常数。结果表明：裂纹扩展速率会随着应力比的增加以及腐蚀损伤的加深而增大,拟舍得到的Walker公式可用来定量化地表征应力比和腐蚀损伤对疲劳裂纹扩展速率的影响。     

不同应力比下Cu/WCp复合材料疲劳裂纹扩展行为及影响机制分析

通过粉末冶金工艺制备了一种高压电触头用Cu/WCp颗粒增强复合材料。研究了不同应力比下Cu/WCp颗粒增强复合材料的疲劳裂纹扩展行为,并结合裂纹闭合模型和两参数驱动力模型分析了应力比对Cu/WCp颗粒增强复合材料疲劳裂纹扩展速率的影响机制。研究结果表明:随着应力比R的增大裂纹扩展速率增大,尤其在近门槛值附近裂纹扩展速率差别最明显。裂纹闭合模型和两参数驱动力模型均可以较好地将不同应力比R下(da/d N-ΔK)关系曲线关联起来,且两参数驱动力模型的相关性更好。这说明导致不同应力比R下Cu/WCp颗粒增强复合材料疲劳裂纹扩展速率差异的原因主要是Kmax引起裂纹尖端单调损伤,其次是裂纹闭合效应。根据SEM断口分析发现高应力比的断面较低应力比的粗糙,低应力比时断口以基体撕裂为主而高应力比时以颗粒基体脱粘为主。     

Ti-6Al-4V钛合金的疲劳裂纹扩展规律

针对熔模铸造Ti-6Al-4V钛合金的等幅疲劳裂纹扩展速率和疲劳裂纹扩展门槛值进行了研究。结果表明：该钛合金CT试样的疲劳裂纹扩展门槛值高于CCT试样的疲劳裂纹扩展门槛值,同一类试样的疲劳裂纹扩展门槛值随着应力比的增加呈下降趋势;疲劳裂纹扩展速率随着平均应力的增加以及应力水平的增加而增大;根据疲劳裂纹扩展试验数据拟合了Ti-6Al-4V钛合金Paris方程和Walker方程中的相关材料参数,以为材料的使用寿命评估及损伤容限设计提供参考。     

30Cr1Mo1V钢汽轮机转子高应力段的疲劳裂纹扩展速率

在某已服役了16 a的30Cr1Mo1V钢汽轮机转子的高应力段取样制作成紧凑拉伸试样,用MTS 810.50试验机进行室温和538℃下的疲劳裂纹扩展速率试验。结果表明：该钢疲劳裂纹稳定扩展阶段的疲劳裂纹扩展速率适用于Paris公式,室温下的疲劳裂纹扩展速率方程为da/dN=2.2101×10-8（ΔK）2.9163,538℃下的疲劳裂纹扩展速率方程为da/dN=9.8794×10-8（ΔK）2.6844;对于30Cr1Mo1V转子钢,温度升高,疲劳裂纹扩展速率加快;30Cr1Mo1V转子钢在疲劳裂纹稳定扩展阶段存在转折点,将该阶段又细分为两段,经过转折点后疲劳裂纹扩展速率的增速减慢;与原始材料相比,已服役16 a的30Cr1Mo1V钢汽轮机转子高应力段材料的疲劳裂纹扩展速率增大。     

14MnNbq焊接桥梁钢的疲劳裂纹扩展行为研究

该文系统地研究了14MnNbq桥梁钢焊接热影响区的疲劳裂纹扩展行为。首先,由中心穿透裂纹(MT)试样疲劳裂纹扩展试验,获得了不同应力比R下的疲劳裂纹扩展速率和门槛值;然后考察了应力比R的影响,给出了适于不同应力比的疲劳裂纹扩展速率和门槛值的一般表达式;最后提出了一种由疲劳裂纹扩展门槛值▽Kth确定闭合参数U的新方法,将控制疲劳裂纹扩展的有效应力强度因子幅度写为▽Keff=▽K-▽Kth,由此讨论闭合参数U的确定方法。研究结果表明:对于14MnNbq焊接桥梁钢,该文给出的疲劳裂纹扩展速率表达式与试验结果符合得相当好。     

沉积颗粒对7N01-T6铝合金疲劳裂纹扩展行为的影响

利用自主设计的实验方法,结合疲劳裂纹扩展速率测试以及断口微观形貌观察研究了R=0.1和R=0.5两种应力比下,石墨和氧化铝沉积颗粒对7N01-T6铝合金疲劳裂纹扩展行为的影响。结果表明:在两种应力比条件下,裂纹扩展Ⅰ、Ⅱ阶段中,合金在石墨颗粒环境下的疲劳裂纹扩展速率均最快。当R=0.5时,在裂纹扩展Ⅰ、Ⅱ阶段,合金在氧化铝颗粒环境下的疲劳裂纹扩展速率最慢。当R=0.1时,在应力强度因子ΔK15 MPa·m~(1/2)阶段,合金在氧化铝颗粒环境下的疲劳裂纹扩展速率最慢,在ΔK=15～30 MPa·m~(1/2)阶段,合金在氧化铝颗粒环境和大气环境下的疲劳裂纹扩展速率相当。石墨颗粒环境下合金疲劳裂纹扩展速率的增加是由于石墨颗粒的润滑作用降低了疲劳卸载过程中的裂纹闭合效应。氧化铝颗粒环境下合金疲劳裂纹扩展速率的降低是由于氧化铝颗粒在断面的沉积增强了疲劳卸载过程中的裂纹闭合效应。     

Ni3Al合金热/机械疲劳裂纹扩展行为研究

对ＩＣ１０定向凝固高温合金进行了４５０￣９９０℃热／机械疲劳裂纹扩展行为的试验研究。分别研究了相位角、保持时间、温度、频率对ＩＣ１０合金裂纹扩展行为的影响,并建立了热／机械疲劳裂纹扩展速率预测模型。研究发现：温度的升高和频率的降低均会加速裂纹扩展;同相位热／机械疲劳裂纹扩展速率大于反相位热／机械疲劳裂纹扩展速率,而且它们两者介于最大温度和最小温度的等温度裂纹扩展速率之间;载荷保持加速裂纹扩展。     

温度对TC4-DT损伤容限型钛合金疲劳裂纹扩展行为的影响

对TC4-DT损伤容限型钛合金在150℃,25℃下的疲劳裂纹扩展速率da/dN进行了测试,给出了扩展速率和应力强度因子幅值△K之间的关系曲线.用SEM对2种温度下断口形貌进行了观测,实验结果表明,150℃的疲劳裂纹扩展速率试样具有较低的疲劳裂纹扩展速率,25℃的疲劳裂纹扩展速率试样具有较低的门槛值;稳态扩展区解理断裂和条带循环机制共存,150℃的da/dN试样中的疲劳辉间距比25℃试样细;快速扩展区的断口形貌呈韧窝型静载断裂特征,150℃的da/dN试样中的韧窝比25℃试样深.     

WNQ570桥梁钢及其对接焊缝疲劳裂纹扩展性能试验研究

对WNQ570桥梁钢及其对接焊缝进行了疲劳裂纹扩展速率和疲劳裂纹扩展门槛值测定试验,采用两种不同数据拟合方法分别得到具有95%保证率的疲劳裂纹扩展参数。结果表明:本批次的WNQ570钢材具有良好的疲劳裂纹扩展性能,其中对接焊缝疲劳裂纹扩展速率高于母材;在应力强度因子幅值处于10 MPa·m1/2～70 MPa·m1/2的常规区间时,基于单试件数据点的处理结果对应的裂纹扩展速率明显高于基于成组数据点的处理结果;WNQ570的疲劳裂纹扩展速率随应力比增加而增加,疲劳裂纹扩展门槛值随应力比增加而降低。     

疲劳短裂纹形成和扩展行为研究

平均应力是影响材料疲劳行为的重要因素,选择平均应力下疲劳短裂纹行为作为研究对象,应用裂纹位错理论和椭球体异性夹杂理论对疲劳短裂纹问题进行了深入的分析和探讨,在以下几方面取得了新的进展。 首先对不同应力条件下光滑试样的疲劳短裂纹行为进行了系统的试验研究,考察了应力幅、平均应力及微观结构等因素对疲劳短裂纹生长的影响,并给出了一个关于疲劳短裂纹形成和扩展的划分定义;建立了循环应力下的疲劳短裂纹位错模型,通过对疲劳短裂纹及其顶端塑性区与晶界交互作用的分析,建立了疲劳短裂纹门槛应力条件,并由此推导出一个双曲线形式的疲劳极限图线。提出了应用裂纹顶端塑性位移幅度描述疲劳短裂纹生长速率的方法,由疲劳短裂纹形成位错模型给出了一个振荡形式发展的疲劳短裂纹生长速率表达式.其范围包络线可以较好地覆盖疲劳短裂纹速率的试验数据;应用Eshelby椭球体本征应变问题解,求得了裂纹顶端延伸位移。提出应用有效裂纹顶端延伸位移幅度来处理各种应力条件下疲劳短裂纹扩展速率的方法,使得疲劳短裂纹扩展速率在描述上实现了归一。     

加载历史和裂纹闭合对疲劳裂纹扩展行为影响的数值模拟

采用不同应力比条件下的16MnR钢紧凑拉伸试样,设计了三种有限元分析模型,即不考虑加载历史效应的静态裂纹扩展模型,同时考虑加载历史和裂纹闭合的动态裂纹扩展模型以及仅考虑加载历史的伪动态裂纹扩展模型,对疲劳裂纹闭合过程、裂纹尖端的应力-应变迟滞环、疲劳损伤和裂纹扩展速率进行了数值模拟与分析,进而着重探讨了加载历史和裂纹闭合影响疲劳裂纹扩展行为的交互作用机制。结果表明:对于同类分析模型,应力比越大越不容易产生裂纹闭合;而在应力比相同的情况下,加载历史引起的残余压应力对裂纹闭合有明显的促进作用。裂纹闭合效应阻碍了平均应力的松弛,减小了裂纹尖端附近的应力-应变场强度、疲劳损伤和裂纹扩展速率,而加载历史引起的残余压应力则加快了平均应力的松弛和抑制了棘轮效应。与实验结果比较发现,只有同时考虑了裂纹闭合效应和加载历史影响的动态裂纹扩展模型,才能对疲劳裂纹扩展行为进行准确、定量的模拟。     

桥梁高性能钢HPS485W疲劳裂纹扩展速率试验研究

以国产桥梁用高性能钢HPS485W为研究对象,对7.5mm、12.5mm和19.5mm的HPS485W紧凑拉伸试样分别在应力比R=0.1、R=0.5和R=0.8的疲劳荷载下进行疲劳裂纹扩展速率(da/dN)试验,采用七点递增多项式的方法进行局部拟合求得试样的疲劳裂纹扩展速率。与传统桥梁用钢14MnNb相比,该文试验测得高性能钢HPS485W具有更优越的忍受疲劳裂纹扩展能力。试验结果表明:试样厚度是影响疲劳裂纹扩展速率的关键因素;对同一厚度的试样,疲劳裂纹扩展速率随着应力比R的增大而增大。此外,对19.5mm试样在荷载比R=0.1的情况下,进行工程门槛值的试验测定和理论门槛值的数值求解,分析求得19.5mm的HPS485W的理论门槛值为7.22MPa·m1/2。该文试验得到的HPS485W疲劳裂纹扩展曲线,可用于高性能钢桥的抗疲劳、防断裂设计与寿命预测。     

拉-压循环加载下铝合金疲劳裂纹扩展的压载荷效应研究

应用弹塑性有限元方法与增量塑性损伤理论指出疲劳裂纹扩展的压载荷效应是裂纹尖端塑性损伤的结果, 建立了在拉-压循环加载下铝合金疲劳裂纹扩展速率的双参数预报模型, 对LY12-M 高强铝合金MT 试件在应力比R=0、-0.5、-1、-2 进行了疲劳裂纹扩展实验。结果表明:当最大应力强度因子K_max相同时, 恒幅拉压加载(应力比R<0)的疲劳裂纹扩展速率明显高于恒幅拉拉加载(应力比R=0)的情况, 拉-压循环载荷的压载荷部分对疲劳裂纹扩展速率具有促进作用。该文得出的LY12-M 铝合金在拉-压循环加载下的疲劳裂纹扩展速率预报模型与实验结果符合较好。     

挤压AZ31B镁合金圆棒不同取向的疲劳裂纹扩展

使用紧凑拉伸(CT)试样,研究了挤压AZ31B镁合金圆棒三个方向的组织及疲劳裂纹扩展性能。结果表明,疲劳裂纹以穿晶为主的混合方式沿滑移带扩展。T-L方向裂纹呈直线扩展,扩展速率最高,T-R方向孪生和滑移协同塑性变形,裂纹局部偏转,呈波浪形沿径向扩展,扩展速率较低,强织构和不均匀组织引起L-T方向裂纹分叉和偏离,降低了裂纹尖端有效驱动应力强度因子幅,裂纹扩展速率最低,在疲劳裂纹扩展速率(da/dN)与应力强度因子幅(ΔK)的关系曲线上出现水平段。在ΔK较小时加载频率对裂纹扩展速率的影响不大,ΔK>3 MPa m时裂纹扩展速率随着加载频率的提高而减小。