喷丸强化残余应力对AISI304不锈钢疲劳裂纹扩展行为的影响

目的 探究喷丸强化残余压应力对AISI 304不锈钢疲劳裂纹扩展行为的影响规律.方法 建立并联合紧凑拉伸(CT)试样三维有限元模型和对称胞元喷丸有限元模型,发展一套多步骤数值模拟方法.首先,建立AISI 304不锈钢CT试样的三维有限元模型,模拟不同外加交变载荷工况下的疲劳裂纹扩展过程.基于线弹性断裂力学理论,利用裂纹闭合技术,计算不同裂纹长度对应的应力强度因子范围,采用修正的Paris公式计算疲劳裂纹扩展速率,并通过试验数据对计算结果进行考核.其次,建立多弹丸分层逐次冲击靶面的对称胞元喷丸有限元模型,模拟100％和200％喷丸覆盖率下的残余应力场,并通过试验数据对该对称胞元喷丸有限元模型的有效性进行验证.最后,将喷丸强化诱导的残余应力场以读写外部文件的方式导入CT试样三维有限元模型,模拟在内部残余应力场和外部交变载荷共同作用下的疲劳裂纹扩展行为.结果 对于相同的喷丸工况,保持外加载荷比不变而减小最大外加载荷,或者保持最大外加载荷不变而减小外加载荷比,喷丸强化诱导的残余压应力对疲劳裂纹扩展的抑制作用愈加显著.对于相同的外加载荷工况,200％喷丸覆盖率工况比100％喷丸覆盖率工况更能有效降低AISI 304不锈钢的疲劳裂纹扩展速率.结论 喷丸强化诱导的残余压应力场能够有效抑制AISI 304不锈钢的疲劳裂纹扩展.     

基于两步七点拟合ADB610钢焊接接头疲劳裂纹扩展

在应力比为0.1、恒幅加载载荷下,对低碳贝氏体ADB610钢手工电弧焊焊接接头母材区、热影响区和焊缝区采用CT(紧凑拉伸)试样进行疲劳裂纹扩展试验研究。采用两步七点递增多项式拟合方法计算疲劳裂纹扩展速率(da/dN),并计算应力强度因子范围(ΔK),分别将母材区、热影响区和焊缝区每个试样的(da/dN)和(ΔK)数据进行了回归拟合,得到了以Paris公式表达的ADB610钢母材区、热影响区、焊缝区(da/dN)与(ΔK)的关系式。并将这三区域中多个试样Paris公式中的参数取均值,得到三区域均值裂纹扩展速率表达式。结果表明,在裂纹扩展的初期和中期,母材区的裂纹扩展速率最快,焊缝区的裂纹扩展速率最慢;在裂纹扩展末期,三区域的裂纹扩展快慢相当。     

焊接参数对搅拌摩擦焊2024-T351铝合金焊接接头断裂韧性和疲劳裂纹生长速率的影响（英文）

在横向速度为8~31.5 mm/min、搅拌速度为400~800 r/min条件下对厚度为8 mm的2024-T351铝合金板进行搅拌摩擦焊接实验。为了考察焊接样品的各项性能,对焊接样品进行金相分析、维氏硬度和XRD(确是残余应力)测试。为了得到样品的残余应力和应力强度因子(SIF),对样品的搅拌摩擦焊接过程进行有限元分析。基于标准测试方法研究焊接样品的断裂和疲劳行为,焊接样品在焊核区出现初始裂纹且裂纹沿焊接方向扩展;同时采用剪切散斑干涉方法对焊接样品的断裂行为进行进一步研究。结果表明:横向速度和搅拌速度影响样品的断裂韧性和疲劳裂纹生长速率。搅拌摩擦焊使样品的最大断裂荷载和断裂韧性降低了18%~49%。较低的横向速度使焊接接头的断裂韧性稍许降低。在较高的横向速度或较低的搅拌速度下,焊接接头缺陷的增加可导致较低的断裂韧性。在较低应力强度因子差值(ΔK≤13 MPa·m~(1/2))条件下,所有焊接样品的疲劳裂纹扩展速率比其基体合金的疲劳裂纹扩展速率慢;而在较高的ΔK值条件下,焊接样品的疲劳裂纹扩展速率比基体合金的疲劳裂纹扩展速率快得多。     

循环载荷幅值对7075-T7451铝合金疲劳裂纹扩展行为的影响

在不同幅值循环载荷条件下对7075-T7451铝合金紧凑拉伸(CT)试样进行拉伸疲劳试验,对其疲劳裂纹扩展速率和应力强度因子幅值ΔK进行了研究,并用扫描电子显微镜观测试样的断口形貌。结果表明：随着循环载荷幅值的增大,试样的疲劳寿命缩短,裂纹的扩展速率增大;试样宏观断口形貌的裂纹稳态扩展区域减小,而瞬时断裂区域增大。稳态扩展区主要以疲劳条带扩展机制为主,且疲劳条带间距随循环载荷幅值的增大而增大;瞬断区的断口形貌以韧窝断裂为主,韧窝尺寸随循环载荷幅值的增大而减小。     

Q960E热影响粗晶区疲劳寿命与ΔKth值的关系分析

基于模拟焊接热循环试验及疲劳裂纹扩展试验,对动载结构用高强钢Q960E热影响粗晶区进行了多种应力幅值作用下的疲劳寿命研究.通过得到Paris方程建立了不同焊接热模拟工艺下疲劳裂纹扩展门槛值（ΔK_th）随不同交变载荷下疲劳寿命值的近似线性关系.利用场发射扫描电镜中背散射衍射功能（EBSD）对疲劳裂纹扩展试样中的裂纹尖端进行了晶体学取向分析及扩展机制讨论.结果表明,在应力幅值ΔP固化后,疲劳寿命N随ΔK_th的增大而增加,其延寿微观机理在于组织中的亚结构取向存在差异,所形成的大角度晶界（≥15°）可有效迫使裂纹转向,从而提高材料的疲劳寿命.     

U75V钢轨材料在疲劳载荷下应力强度因子的探讨

以U75V钢轨材料紧凑拉伸(compact tension, CT)试样为研究对象,应用理论公式、弹性位移外推法/弹性应力外推法、弹塑性位移外推法/弹塑性应力外推法,求解在疲劳载荷作用时不同裂纹长度下的应力强度因子及幅值。结果显示,弹性位移外推法/弹性应力外推法计算的应力强度因子及幅值和理论解基本一致;裂纹长度小于12 mm时各种计算方法的应力强度因子以及幅值几乎一样,但随裂纹长度的增大,弹塑性位移外推法/弹塑性应力外推法计算的应力强度因子Kmax以及幅值呈增大趋势。在疲劳裂纹扩展阶段中后期,考虑小范围屈服时,使用弹塑性位移外推法/弹塑性应力外推法计算的应力强度因子及幅值用于疲劳裂纹扩展速率和疲劳剩余寿命的计算会更安全。     

焊趾裂纹在疲劳载荷下的扩展

本文的目的在于研究疲劳载荷下的焊趾裂纹扩展规律,并通过它来分析有限长度焊趾裂纹前沿的应力强度因子分布。试验采用LY—12R 铝合金制成几种焊趾裂纹的模拟试样。用疲劳勾线法求出前沿各点的裂纹扩展速率并与平板表面裂纹试样进行了对比.认为:中心加载焊趾裂纹在长度方向的扩展速率高于中心加载平板表面裂纹;偏心加载焊趾裂纹在长度方向的扩展速率高于中心加载扩展速率。随着相对偏心的提高,裂纹沿长度方向的扩展速率亦增加;表面残余压应力可以有效地抑制焊趾裂纹在长度方向的扩展速率.     

AlLY12爆炸焊接界面疲劳裂纹的扩展行为

采用纯铝／硬铝（Al/LY12)爆炸复合板通过电子束焊接制得界面裂纹四点弯曲试样,由于强度错配,Al/LY12界面裂纹顶端局部的变形是锐化与钝化的复合型,但在疲劳载荷下其整体裂端应力应变场仍然可由纯1型应力强度因子主导,可以采用和单材料试样相同的方式进行界面裂纹的疲劳扩展行为研究,界面裂纹可在较低的外载水平下启努扩展,但爆炸焊接界面存在的波纹使得界面裂纹的扩展速率出现波动,并且阻碍裂纹的扩展,相同外载下Al/LY12界面裂纹的疲劳扩展速率低于单材料LY12的疲劳扩展速率。     

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。     

残余应力对激光修复紧凑拉伸试件疲劳性能的影响

以304不锈钢制作的含裂纹紧凑拉伸试样为研究对象,开展了裂纹尖端激光修复实验研究。基于热力顺序耦合有限元方法,模拟了激光作用后裂纹尖端修复区残余应力的分布情况,并分析了裂纹扩展对应力重分布和塑性区尺寸的影响;同时,得到了考虑残余应力影响的应力强度因子,并由此建立了改进的裂纹扩展速率预测模型以评价修复试件的疲劳性能。最后通过开展疲劳裂纹扩展实验验证了本文模型的有效性。结果表明,裂纹尖端激光修复会使修复区产生残余拉应力,裂纹的扩展会使残余应力场重新分布,并减小裂纹尖端的塑性区尺寸。残余拉应力的存在会增大试件所受载荷的有效应力比,提高疲劳裂纹扩展速率,降低构件的疲劳寿命。     

AZ91HP镁合金疲劳裂纹扩展行为与断裂机理

试验分析了AZ91HP镁合金在压铸态(F)、固溶状态(T₄)和固溶-时效状态(T₆)的裂纹扩展行为,并探讨了压铸态镁合金疲劳断口组织特征与裂纹扩展机制。结果表明:压铸态AZ91HP-F疲劳裂纹扩展行为与ΔK值的大小有关,ΔK值越小,断口越平滑,ΔK值越大,断口越粗糙;裂纹扩展过程存在塑性诱发裂纹闭合效应,这一效应使得裂纹扩展的K_op值增加,ΔK_eff值减小,并使疲劳裂纹扩展速率与合金塑性有关,由于AZ91HP的塑性依T₆、F、T₄状态依次增加,导致裂纹扩展速率依次降低。     

航空发动机叶片TC4钛合金振动疲劳裂纹扩展研究及剩余寿命预测

目的研究TC4钛合金的振动疲劳特性及寿命预测。方法通过共振疲劳试验,分析裂纹尖端应力强度因子的变化规律,计算不同应力水平下疲劳裂纹扩展的速率,建立剩余寿命预测计算模型。结果裂纹尖端的应力强度因子是表征裂纹扩展速率快慢的有效参数,与裂纹长度及应力场的大小相关。在裂纹扩展初期应力为274 MPa的条件下,裂纹扩展速率的试验值与计算值吻合较好。通过寿命预测模型计算可知,当初始裂纹为0.5 mm,最终裂纹长度达到5 mm时,在应力为274、366、422 MPa的条件下,振动循环周期分别为36 577、19 090、13 865。结论在应力比为?1的振动条件下,裂纹扩展速率随应力水平的增大而加快,同时初始裂纹长度越长,应力相同时,裂纹扩展速率提高。通过寿命预测模型,可计算出结构件的使用寿命。     

淬火残余应力对铝合金厚板裂纹应力强度因子及扩展趋势的影响

为探究淬火残余应力对铝合金厚板疲劳裂纹扩展的影响规律,建立7075铝合金厚板表面三维裂纹数值仿真模型。采用顺序热力耦合法求解淬火残余应力场,将残余应力场作为初始载荷条件求解裂纹应力强度因子,并与无残余应力场的应力强度因子值进行对比,研究两种条件下应力强度因子的分布规律和两者之间的异同;通过分析在初始淬火残余应力条件下不同半径裂纹受不同均匀拉应力荷载作用时的裂纹应力强度因子随裂纹位置角的演变曲线,探究淬火残余应力对裂纹扩展趋势的影响规律。结果表明,淬火残余应力的存在改变了铝合金厚板应力强度因子的分布规律和裂纹的扩展趋势,淬火残余应力使表层附近的裂纹扩展受到遏止,裂纹易于在厚度方向优先扩展。     

基于解析算法与J积分法的耐候钢接头疲劳裂纹扩展分析

为准确描述焊接接头疲劳裂纹在扩展中的动态过程,借助多阵元超声相控阵设备对12 mm厚耐候钢对接接头的表面裂纹扩展动态进行实时监测,得到半椭圆形裂纹深度、长度与寿命的演化关系.借助Abaqus建立有限元分析模型,将裂纹几何变化历程输入,计算裂纹尖端7个方向的能量释放率,获得裂纹尖端应力强度因子幅值.将裂纹尖端(θ = 90o)的K值与BS7910标准中推荐解析公式对比分析,其结果吻合性好.在此基础上,分别采用简化公式与两阶段扩展模型计算试样的疲劳寿命. 结果表明,两阶段裂纹扩展模型能准确地预测对接接头裂纹的疲劳寿命,且与试验结果高度吻合.     

Cold hole expansion effect on the fatigue crack growth in welds of a 6061-T6 aluminum alloy

Compact test specimens were extracted from a 6061-T6 aluminum alloy welded plate with a thickness of 9 mm to analyze the cold hole expansion effect on fatigue crack growth tests conducted in mode I cyclic loading. At R = 0.1, a sharp crack in base metal, weld metal and heat affected zone was propagated from 17 to 24 mm. The fatigue crack growth at 24 mm (α = a/W = 0.3) was delayed by drilling a hole at the crack tip and applying a cold hole expansion of 4.1%. The residual stress fields due to cold hole expansion were determined with the finite element method. The fatigue crack growth testing was continued up to a crack length of 35 mm (α ∼ 0.43) at the same R, and crack opening displacements of the post-expansion crack were also determined with the finite element method. The results were expressed in terms of crack length versus number of cycles, as well as, fatigue crack growth rate as a function of applied and effective stress intensity factor range. The cold hole expansion contributed to delay the fatigue crack growth in base metal, and to a lesser extent in the weld metal and heat affected zone. A crack closure effect was determined by means of load versus crack opening displacement curves of the post-expansion crack, which was, completely or partially closed, in welded zones with compressive residual stress fields. The fracture surfaces of each welded zone were analyzed to elucidate the crack nucleation zone and its relation with the residual stress field. In all cases the crack was initiated at the surface of the specimen where the residual stresses were positive.     

电场、残余应力和介质对PZT-5H铁电陶瓷压痕裂纹扩展的耦合作用

通过在硅油中加恒电场实验,研究了PZT-5H铁电陶瓷Vickers压痕裂纹的扩展行为,探讨了电场、残余应力以及介质间的耦合作用.结果表明,残余应力不足以使压痕裂纹在硅油中发生滞后扩展,只有外加恒电场E>0.2 kV/cm,电场、残余应力和介质的耦合才能使压痕裂纹在经过一个孕育期tp后发生滞后扩展.由于有效应力强度因子随裂纹扩展而下降,故压痕裂纹扩展10-30 μm后就将止裂.压痕裂纹在硅油中滞后扩展的门槛电场强度EDp=0.2 kV/cm.如外加电场大于临界电场Ep=5.25 kV/cm,电场和残余应力的耦合可使压痕裂纹瞬时扩展;保持恒电场,裂纹能继续扩展,然后止裂.如外加电场大于12.6 kV/cm,不需要残余应力协助,电致裂纹也能在光滑试样上形核、长大、连接,导致试样断裂.试样发生电致滞后断裂的门槛电场EDF=12.6 kV/cm,发生瞬时断裂的临界电场EF=19.1 kV/cm.