残余应力集中及其对疲劳极限和短裂纹扩展的影响

缺口根部的残余应力存在应力集中效应,应力集中值不仅取决于缺口几何形状而且和材料的屈服强度有关。残余应力集中系数是一个分布值,其数值甚至可超过理论应力集中系数。软试样喷丸后缺口处的残余应力易于松弛及喷丸时的表面损伤使其对疲劳极限的贡献小。残余压应力使缺口处裂纹闭合力增大甚至可出现非扩展裂纹。     

表层强度及其对疲劳的影响

光滑试件疲劳时因表面处于平面应力状态其屈服强度比整体材料低，首先发生滑移，因而造成疲劳损伤，达到一定疲劳周次后积累的损伤导致断裂，因而表层屈服强度和疲劳极限之间存在对应关系。缺口试件引入残余压应力，由于应力集中效应，缺口根部的残余应力集中系数可能高于理论应力集中系数，因而其疲劳强度将超过最高的光滑试件疲劳强度。考虑残余应力对裂纹扩展的作用时应计及其衰减的作用。     

残余应力和表面形态对60Mn疲劳性能的影响

喷丸产生的表层残余压应力使中温回火弹簧钢60Mn的疲劳极限从930提高到1010MPa,而心部的高残余拉应力又会使疲劳极限从1010降至940MPa,严重的喷丸表面损伤可以使疲劳极限从1010降至800MPa。裂纹在计入残余应力的Mises等效应力超过材料局部强度的部位萌生。喷丸产生的残余压应力可以增强裂纹闭合效应,从而降低裂纹扩展率。     

残余压应力场中疲劳短裂纹扩展模型及实验

结合实验讨论了残余应力对裂纹扩展作用的模型及其存在的问题。指出用公式△Ｋｅｆｆ＝（Ｋｍａｘ＋λＫｒ）－Ｋｏｐ中较准确地计算出残余压应力场中裂纹的扩展速率。残余压应力既使裂纹闭合力提高，又使最大应力强度因子降低，两者均使裂纹扩展驱动力△Ｋｅｆｆ减少，因而降低了裂纹的扩展速率。     

电弧增材制造钛合金界面处残余应力及其影响研究

采用电弧增材制造方法制备了含增材/基材界面钛合金板,采用轮廓法测量了其残余应力分布。建立了模拟紧凑拉伸(C(T))试样加工和裂纹扩展过程中残余应力发展的有限元模型,缺口状态C(T)试样内残余应力分布与轮廓法测试结果吻合良好。采用该模型讨论了试样内残余应力随裂纹扩展的变化规律及对裂纹扩展的影响。试验和数值分析结果表明:2种类型试样缺口状态的残余应力分布有很大差别,A类试样(缺口位于基材)残余压应力区域靠近缺口根部,C类试样(缺口位于增材)残余压应力区域远离缺口根部;A类试样内残余应力随裂纹扩展迅速释放,残余应力引起的应力强度因子较小;C类试样内残余应力随裂纹扩展变化较小,残余应力引起的应力强度因子较高,降低了疲劳裂纹扩展寿命。     

超高强度钢喷丸表面残余应力在疲劳过程中的松弛规律

对超高强度钢23C014Ni12Cr3MOE进行了喷丸强化，采用X射线衍射应力分析方法研究了旋转弯曲疲劳过程中喷丸表面残余应力的松弛变化规律。结果表明，在疲劳循环过程中，残余应力的松弛主要发生在疲劳的初始循环100周次内，疲劳循环100周次后残余应力基本稳定在某一个应力水平上，而且其中的大幅度松弛发生在疲劳的初始循环10周次内。对比不同应力水平下的松弛行为，在疲劳极限以上的应力水平下，残余应力松弛的幅度和速率都较大。对喷丸后的试样在疲劳试验前先进行200℃／2h的保温提前应力松弛处理，然后再进行疲劳试验，200℃／2h的保温处理可降低残余应力松弛的幅度和速率甚至在低于疲劳极限的应力水平时只发生小的松弛或不发生松弛。但由于喷丸强化试样疲劳裂纹往往从次表层萌生，表面残余应力的松弛只能作为评价材料疲劳性能的一个参考数值，在工程应用时不能只依据表面残余应力来判定材料的疲劳性能。     

焊接结构残余应力和测定及其对疲劳裂纹扩展速率的影响

采用Ｘ射线法和切割应力释放法测定了焊接件残余应力的分布，研究了它们的分布规律，由于切割应力释放法可以近似模拟裂纹扩展时的残余应力的变化，从而查明了残余应力对疲劳裂纹扩展速率的影响。     

焊接结构残余应力的测定及其对疲劳裂纹扩展速率的影响

采用Ｘ射线法和切割应力释放法测定了焊接件残余应力的分布．研究了它们的分布规律．由于切割应为释放法可以近似模拟裂纹扩展时的残余应力的变化，从而查明了残余应力对疲劳裂纹扩展速率的影响。     

2A12-T4铝合金搅拌摩擦焊多区域疲劳裂纹扩展行为

疲劳裂纹扩展速率是材料内在组织性能的宏观外在表现,显微组织和残余应力对宏观疲劳裂纹的扩展有显著的影响.文中研究了2A12-T4铝合金搅拌摩擦焊不同区域的疲劳裂纹扩展速率.结果表明,在焊缝区域,由于搅拌针强烈的机械和焊接热作用,材料组织发生变化,并伴有残余应力的产生,导致不同区域裂纹的扩展速率存在明显差异.在低应力强度因...     

热处理对表面纳米化工业纯锆疲劳性能影响研究

采用表面机械研磨处理(SMAT)对工业纯锆进行表面强化,使材料表面组织细化并引入残余压应力,通过热处理(HT)使表层残余压应力释放而纳米晶尺寸保持不变。利用光学显微镜(OM)和透射电子显微镜(TEM)对试样表层显微组织进行表征,利用X射线应力仪测试距试样表面不同深度处残余应力,通过四点弯曲疲劳实验对热处理前后试样疲劳性能进行测试,利用扫描电子显微镜(SEM)对疲劳断口形貌进行观察,探讨晶粒细化及残余压应力对疲劳性能的影响。结果表明：SMAT使工业纯锆表层形成150μm左右变形层且最表面晶粒细化至35 nm左右,并得到深度为334 μm最大应力为-695.5MPa的残余压应力层;热处理后SMAT处理工业纯锆表层残余压应力场深度减至115μm、最大压应力降为-148.8MPa,残余压应力场的变化对裂纹源位置及材料的疲劳极限影响明显。SMAT处理使工业纯锆疲劳极限较未处理试样提升23%;通过热处理使其表层残余压应力释放后,其疲劳极限较未SMAT处理试样疲劳极限提高13%。     

残余压应力场对B780CF钢焊接接头疲劳裂纹扩展的影响

为了明确不同强度残余压应力场对裂纹扩展速率及寿命的影响,采用埋弧自动焊通过不同焊接热输入控制不同焊缝宽度,从而在制备标准CT试样时通过机械加工时的残余应力释放得到各组不同强度残余压应力场的各组焊接接头,并根据裂纹闭合原理,提出基于Elber的三参数分段公式,根据分段公式条件从MTS试验机采用柔度法获得的试验数据中提取、归纳数据,利用断裂力学方法和数理统计方法进行分析,得出结论,裂尖存在的焊接残余压应力场在一定程度上可以明显降低裂纹扩展速率,提高裂纹扩展寿命,对焊接接头裂纹扩展有着关键性作用。     

基于计算机有限元分析的激光冲击强化钛合金疲劳性能研究

基于限元分析软件ABAQUS和MSC.Fatigue,建立了激光冲击TC17钛合金标准紧凑拉伸试样及其疲劳裂纹扩展的有限元分析模型。对不同区域下激光冲击强化TC17钛合金后的残余应力分布及疲劳裂纹扩展性能进行分析,进而探讨了残余应力场对疲劳裂纹扩展的影响。结果表明,激光冲击TC17钛合金经后,试样上下表面处理区域均呈现压应力分布,最大残余压应力达-473 MPa,残余压应力层深度达0.76 mm,同时,表面残余压应力随激光功率密度和冲击区域的增大,逐渐增大并达到饱和。相对于未冲击件,激光冲击使TC17试样疲劳寿命大幅延长,疲劳裂纹扩展速率显著降低;且随冲击区域的增大,疲劳寿命不断延长,表明激光冲击诱导的残余应力场对TC17钛合金疲劳裂纹扩展具有较好的抑制作用。     

高速列车关键部件材料服役后焊接接头裂纹扩展性能研究

文中对服役480万km后高速列车关键结构部件SMA490BW钢焊接接头的残余应力水平、微观组织及各项基本力学性能与疲劳裂纹扩展行为进行了研究。结果表明,服役前后的残余应力均为压应力,服役后的残余应力水平呈增大趋势,在测试区域大部分测点的应力分布在-100～-300 MPa之间;焊缝区的晶粒最大,母材的晶粒最小;焊缝区和热影响区的硬度均高于母材的,焊接接头抗拉强度为531 MPa,母材的抗拉强度为547 MPa;所有试样的弯曲试验结果均合格,试样未出现裂纹;疲劳裂纹扩展速率从大到小依次为焊缝、热影响区、母材,造成这种差异的原因是焊缝区晶粒较大,导致应力集中程度较大,因此抗疲劳裂纹扩展的能力越差,微观组织结构的差异是导致接头不同区域抗疲劳裂纹扩展能力不同的主要原因。     

7075铝合金喷砂表面残余应力在疲劳过程中的松弛规律

对7075高强铝合金进行喷砂强化,采用X射线衍射法研究循环载荷作用下疲劳过程中喷砂表面残余应力的松弛规律。结果表明,残余应力的松弛主要发生在疲劳过程开始的100个周期内,其中大幅度松弛发生在初始10个周期内,1000次循环后残余应力基本稳定。不同应力水平下的松弛行为表明,循环应力达到疲劳极限以上时,残余应力松弛的幅度和速率都较大。经过150℃×2h保温处理的试样其表面残余应力显著降低,且疲劳过程中应力松弛的幅度和速率都降低。表面喷丸或喷砂强化试样大多在表面强化层下的拉应力区域产生裂纹,疲劳累积损伤理论也表明疲劳损伤是可以累加的,故表面存在一定数值的残余压应力并不能说明试样没有发生疲劳损伤,工程上不能只依据表面残余应力来判定材料的疲劳性能。     

喷丸强化因素对Ti合金微动疲劳抗力的作用

探讨了喷丸强化（SP）三因素（残余压应力引入,表面粗糙度增大和表面加工硬化）在改善Ti合金微动疲劳（FF）性能中的作用规律和机制。结果表明,SP引入表层残余应力和导致粗糙度增大对提高Ti合金FF抗力起重要作用。前者的作用大于后者,且二者之间存在协同作用效应,即SP表面因粗糙度增大而减缓了表层残余应力的SP引入的表面残余应力主要通过增加裂纹闭合力,抑制FF裂纹早期扩展来提高FF抗力。在表面应力集中严重的接触几何条件下,裂纹扩展控制FF过程,此时SP层残余应力的作用更加显著。     

2B25-T351压印强化残余应力场的有限元模拟与实验

运用有限元软件ABAQUS建立压印强化残余应力场的三维有限元模型,模拟计算压印强化过程中2B25-T351铝合金构件的三维残余应力场分布,模拟结果表明,压印痕底部残余应力沿厚度方向呈梯度分布,与表面距离越远,压应力水平越小。孔周围的残余应力分布比较集中,压印痕端头附近,孔边为相对均匀的残余压应力,其他位置为自平衡的残余拉应力;使用X射线衍射应力分析技术测量实际试样的残余应力,结果表明,实验测量值与有限元模拟值吻合较好;对压印强化前后试样进行疲劳性能试验,结果表明,压印强化在试件表面引入残余压应力,可降低裂纹萌生的几率及裂纹扩展的速率,压印强化后材料的疲劳寿命提高了近1.5倍。     

残余应力对高速列车A7N01铝合金焊接接头疲劳行为的影响

研究了残余应力在疲劳加载过程中的应力松弛行为,采用预拉伸、表面喷丸等表面预制残余应力的方法预制了表面残余应力,并研究了焊接接头的疲劳性能. 结果表明,在经过1×105周次循环载荷后,各个部位残余应力发生较大松弛,在经过2×105周次后,应力松弛较1×105周次时松弛幅度降低. 在2×105周次后,应力松弛不再明显,最终残余应力分布在拉应力20～40 MPa之间. 当引入残余应力后,各种条件下的实际应力循环比发生了明显的变化,当应力比R≥0时,随着R的增大,平均应力增大,试样的疲劳周次显著下降. 残余压应力会使裂纹萌生的周期缩短,同时加快疲劳裂纹扩展速率.     

高应力比下HQ－60钢焊缝的疲劳裂纹扩展速率

通过对ＨＱ－６０新钢种的试板和试样焊缝的残余应力实测得到，试样焊缝中的残余应力很小，在研究高应力比下焊缝的疲劳裂纹扩展时可忽略其影响。根据焊缝的裂纹扩展试验结果，得到了在线弹性范围内扩展速率公式。在小范围屈服区提出了一个应力强度因子修正方法，扩大该公式的应用范围，为焊接结构寿命分析提供了方便。     

激光冲击TC17钛合金疲劳裂纹扩展试验

为研究激光冲击强化对钛合金试件疲劳性能的影响,在标准试件的裂纹扩展路径上设计了全强化和间隔强化两种不同的强化方案,研究激光冲击强化对试件疲劳寿命和裂纹稳定扩展时速率的影响规律,利用有限元数值模拟和X射线残余应力测试获得了试件的残余应力场分布状态,并对比分析了试件的断口形貌和微观组织特征。结果表明:相比于未强化试件,激光冲击强化后试件的平均疲劳寿命分别提高了2.14倍和1.90倍,两种不同的冲击强化方法分别降低钛合金试件的裂纹扩展速率24%和15%。间隔强化后试件表面产生-512 MPa的最大残余压应力,裂纹扩展的C′值为-7.3,m值为2.6,而强化间隔区引入最大值为82.4 MPa的残余拉应力,裂纹扩展速率急剧升高,C′值减小至-13.6,m值为8.0。当裂纹扩展到强化区时,扩展速率再次降低,激光冲击强化对TC17钛合金疲劳裂纹扩展有显著的抑制作用。     

激光冲击强化对TA15钛合金双孔结构显微组织和疲劳性能的影响

对TA15钛合金进行激光冲击强化,研究了激光冲击强化对双孔结构试样显微组织、残余应力和疲劳性能的影响。结果表明,经激光能量25 J、圆形光斑?4 mm,冲击2次的激光冲击强化后,TA15钛合金晶体内部形成了大量的高密度位错和位错墙;同时在材料表面引入高达-500 MPa的残余压应力,可以平衡疲劳载荷作用下产生的拉应力,有效抑制疲劳裂纹萌生并减缓裂纹扩展速率。激光冲击强化可以大大提高钛合金双孔结构的疲劳寿命,相对于未强化试样提高了60%～89%,这是由于激光冲击强化引入的较大残余压应力使得裂纹尖端的有效应力强度因子大大减小,当有效应力强度因子小于材料的断裂韧性时,疲劳裂纹的扩展会被抑制或停止,从而提高疲劳寿命。