高温低周疲劳短裂纹萌生的数值模拟

基于大量的高温低周疲劳试验,编写Matlab程序修正voronoi多边形模拟了20钢表面的显微组织;用有限元软件计算得到了不同试验条件下试样表面的应力、应变状态;以基础能量表征晶界及滑移带抵抗裂纹萌生的能力,改进位错累积理论并计算获得了裂纹的萌生寿命,实现了对低碳钢高温低周疲劳短裂纹萌生的数值模拟。结果表明:在高温下,疲劳短裂纹主要萌生于应力集中处的驻留滑移带及不稳定晶界上,受表面显微组织的影响,既有沿晶萌生又有穿晶萌生;修正的voronoi多边形很好地反映了表面显微组织,数值模拟能够准确再现不同循环次数下疲劳短裂纹的群体萌生行为。     

GH4169镍基高温合金的高温低周疲劳性能

对国产GH4169镍基高温合金进行了总应变控制的高温低周疲劳试验,研究了其疲劳性能,分析了断口形貌。结果表明:试验合金具有较好的高温低周疲劳性能,与进口Inconel 718镍基合金的相近,但在较低的总应变范围下比Inconel 718合金的疲劳寿命要低;该合金在不同总应变范围下都表现出明显的循环软化行为;合金试样的疲劳断口呈多裂纹源性,疲劳源数量随总应变范围的降低和疲劳寿命的延长而减少;疲劳裂纹都萌生于表面,穿晶扩展到一定径向深度时,会出现沿晶扩展特征。     

组织特征对粉末高温合金FGH96疲劳裂纹扩展速率的影响

通过对不同热处理后获得3种典型显微组织的粉末高温合金FGH96合金试样在650 进行保载90 s和5 s并恒载荷循环应力作用下的疲劳试验,研究组织特征对疲劳裂纹扩展速率的影响规律,确定不同载荷条件下孕育期、萌生期、扩展期及瞬断期所占的比率。结果表明,γ相特征显著影响疲劳裂纹扩展速率;疲劳行为对保载时间存在敏感性,随保载时间的延长,在疲劳-蠕变的交互作用下会明显加快合金疲劳裂纹扩展;在整个疲劳破坏过程中,萌生比率均高于扩展比率,说明该合金抗裂纹萌生的能力要高于抗裂纹扩展的能力;此外,该合金疲劳裂纹扩展四个阶段在整个断裂周次所占的比率分配上,孕育期比率一般较小,萌生期和扩展期比率较大,瞬断期的比率很小,表明该合金裂纹扩展一旦失稳将高速扩展并迅速断裂。     

TiAl 合金高周弯曲疲劳研究

应用压电超声疲劳试验技术,开发20 kHz频率下的三点弯曲疲劳试验系统,完成室温下TiAl合金超高周弯曲疲劳试验.结果表明,在疲劳循环大于107周时,试样仍会发生疲劳断裂.S-N曲线显示,当应力比R=0.7时,在107周后会出现疲劳极限,表面粗糙度对疲劳性能没有明显影响.当R=0.1 及R=0.5时,在105～1010周之间疲劳强度随循环次数的增加连续下降,S-N曲线未出现水平.光学显微观察发现,TiAl合金由α2-Ti3Al 和γ-TiAl组成(γ α2钛铝合金),具有全片层状显微结构.疲劳破坏主要起源于试件表面承受应力最大处,层状晶体内层间裂纹萌生是 TiAl合金主要的裂纹萌生方式,疲劳裂纹主要以穿晶方式扩展.在超高周循环条件下, 疲劳裂纹也会从试样近表层处的铸造缩孔萌生.     

铁基粉末冶金合金的高周和超高周弯曲疲劳行为

通过在基粉中添加430L不锈钢粉的形式引入铬元素,采用粉末冶金工艺制备Fe-1.65Ni-1.4Cu-1Cr-0.5Mo-0.6C铁基合金,并进行了硬化和回火热处理,研究了该合金在105～108循环周次下的弯曲疲劳行为。结果表明:试验合金的高周和超高周弯曲疲劳曲线是连续下降的,没有出现疲劳平台;疲劳断口的裂纹为多源萌生,在高应力幅作用下裂纹在试验合金表面和次表面的缺陷处萌生,在低应力幅作用下裂纹主要在试验合金内部缺陷处萌生;裂纹扩展区有明显的疲劳辉纹特征,与低应力幅作用下的相比,在高应力幅作用下的疲劳辉纹间距较大,裂纹扩展速率较快;瞬断区主要由解理面和小韧窝组成,与高应力幅作用下的相比,在低应力幅作用下的解理面增多,韧窝数量减少,脆性断裂的特征更加明显。     

核电用接管安全端308L焊缝金属高温低周疲劳性能研究

在300℃高温环境下研究了核电用接管安全端308L焊缝金属的低周疲劳性能,获得了308L焊缝金属材料的循环应力-应变曲线及低周疲劳寿命曲线。基于疲劳过程中不同应变幅水平下循环应力-应变滞回环的试验结果,分析了应力峰值随疲劳循环数的变化规律,绘制了308L焊缝金属材料疲劳寿命曲线,并与ASME疲劳设计曲线进行对比,最后分析了308L焊缝金属的疲劳断口。试验结果表明,材料在高温条件下表现出循环软化直至失效; Basquin和Manson-Coffin关系可以很好地描述0. 3%～1. 0%应变幅范围内的应变-疲劳寿命曲线; 308L焊缝金属低周疲劳裂纹呈凸形扩展,并伴随有疲劳辉纹和二次裂纹出现。     

2.25CrMoV钢于夹杂物和晶界处开裂低周疲劳裂纹扩展的原位观测

对汽轮机转子用2.25CrMoV钢在真空常温条件下进行高应力低周疲劳试验,对试样中起源于夹杂物和晶界等典型缺陷处的裂纹扩展进行了原位连续观测,研究了典型缺陷对疲劳裂纹萌生和初期扩展的影响。结果表明:在高应力循环载荷作用下,夹杂物的形状和尺寸对疲劳裂纹的扩展无明显影响,夹杂物处萌生裂纹的扩展速率小于晶界处萌生裂纹的扩展速率;短裂纹群体效应和滑移线快速增殖的共同作用是导致试样疲劳破坏的主要原因。     

高强韧中锰钢CO2气体保护焊接头的疲劳性能

采用CO₂气体保护焊对30 mm厚高强韧中锰钢板进行对焊试验,通过圆棒拉压疲劳试验获得中锰钢焊接接头的应力幅-寿命曲线,测定了其高周疲劳极限并观察其断口形貌。结果表明：在应力比为-1、循环次数为10⁷周次条件下,中锰钢焊接接头的高周疲劳极限为353 MPa;当中锰钢焊接接头焊缝中存在明显的焊接缺陷时,疲劳裂纹萌生于微观缺陷处,而当焊缝中无焊接缺陷时,疲劳裂纹萌生于试样表面熔合线位置,疲劳裂纹扩展区表面粗糙,存在着明显的二次裂纹,瞬断区表面存在大量均匀细小的韧窝。     

GH4169高温合金裂纹萌生数值模拟

为研究金属材料微观组织特征对其疲劳寿命的影响,基于Tanaka-Mura裂纹萌生寿命预测模型对高温合金GH4169的疲劳裂纹萌生过程进行数值模拟.利用Voronoi图法生成具有代表性的微观组织模型,并考虑晶粒内相互平行的多滑移特性建立微裂纹萌生模型,模拟GH4169在循环载荷作用下的裂纹萌生过程.将裂纹萌生寿命的模拟结果与GH4169疲劳试验数据相比较,说明了Tanaka-Mura裂纹萌生寿命预测模型的有效性.     

应力控制下7075-T651铝合金的疲劳断裂行为

在不同应力幅下(60%σ_s,70%σ_s,80%σ_s,90%σ_s,σ_s为试验合金屈服强度)对7075-T651铝合金进行了应力控制下的疲劳试验,研究了其循环应变响应,观察了疲劳断口形貌、表面损伤形貌以及显微组织,分析了疲劳裂纹的萌生及扩展机制。结果表明:试验合金中析出了微米级的Al7Cu2Fe颗粒、纳米级的η′(MgZn2)相和尺寸较大的η(MgZn2)相,此外,还存在尺寸为3~10nm的细小球状GP区;在较高应力幅(80%σ_s,90%σ_s)控制下,试验合金表现出先软化后硬化直至断裂的疲劳行为,而在较低应力幅(60%σ_s,70%σ_s)下则先软化后明显硬化并趋于稳定;试验合金主要发生微孔聚集韧窝型断裂,在较高应力幅下,裂纹源位于粗大夹杂物Al7Cu2Fe和第二相MgZn2处,位错大量缠结,而在低应力幅下,裂纹源位于基体轻微撕裂处,位错形态为分散的短或长直位错线。     

高温应变时效对P92钢高温低周疲劳性能的影响

分别在应力与应变控制下对P92钢进行550℃高温低周疲劳试验,研究该钢在不同应变幅(0.2％～1.0％)和应力幅(280～350 MPa)下的疲劳行为;对P92钢进行不同预拉伸应变(0～4％)和温度(250～350℃)下的应变时效处理后,研究该钢的高温拉伸与低周疲劳性能.结果表明:在应变控制下,P92钢的应变与疲劳寿命关系符合Manson-Coffin方程,在低应变幅(低于0.7％)下P92钢出现先循环硬化后循环软化现象;在应力控制下,应变与疲劳寿命关系不遵循Manson-Coffin方程,高应力幅(350 MPa)下P92钢出现先循环硬化后循环软化现象;应变时效处理可提高P92钢的屈服强度,且高温拉伸曲线出现Portevin-Le Chatelier屈服效应;应变时效处理后P92钢在应力控制下的应变与寿命关系不遵循Manson-Coffin方程,且其低周疲劳寿命大幅降低.     

DD9单晶高温合金在800℃的高周旋弯疲劳性能

研究了第三代单晶高温合金DD9在800℃的高周旋弯疲劳性能,并用扫描电镜和透射电镜分析了其断口形貌和断裂机制。结果表明:DD9合金在800℃的高周旋弯疲劳性能优异;疲劳裂纹起源于试样表面、亚表面的滑移带、氧化物、显微疏松处,沿{111}面扩展,断裂机制为类解理断裂,断口上有典型的疲劳条带;断裂后,γ′相的形状没有发生改变,沿滑移带形成了二次裂纹,位错密度分布不均匀;位错主要在基体通道中通过交滑移扩展运动。     

球墨铸铁疲劳裂纹扩展的微观机制

研究了在恒幅拉伸循环载荷作用下球铁的疲劳裂纹扩展的微观机制，分析了石墨形态对铸铁疲劳裂纹萌生及扩展行为的影响。结果表明：铸铁的石墨形态对疲劳裂纹的萌生及扩展有很大影响。灰铁由于在共晶团内石墨片相互连接，疲劳裂纹总是沿着与外应力相垂直的石墨片／基体边界扩展。球铁的疲劳裂纹扩展受基体组织及石墨形态所左右，但在石墨球／基体界面产生的滑移带、塑性区及裂纹尖端钝化区决定着疲劳裂纹萌生及扩展的整个过程。球铁的疲劳裂纹扩展规律是：裂纹连续扩展—急速扩展—裂纹尖端钝化—重新诱发裂纹—连续扩展。     

热处理工艺对GCr15钢疲劳裂纹萌生和扩展的影响

淬火、回火温度对GCr15钢疲劳行为的影响如下:经正常温度淬火后,疲劳裂纹萌生循环数Ni随硬度升高而增大;经高温淬火后,Ni显著降低,且随硬度升高而减小。疲劳裂纹扩展速率d_a/d_N随硬度升高而加快,随晶粒尺寸增大而加快。大晶粒高硬度的试样,裂纹主要沿原奥氏体晶界萌生及扩展;低硬度的试样裂纹均为穿晶扩展;随着硬度降低,疲劳断口的沿晶成分逐渐减少。附图10幅,表4个。     

热作模具钢的高温热机械疲劳寿命预测

研究热作模具钢在应力控制下的等温疲劳和同相热机械疲劳寿命，发现在相同的应力幅下，同相（最高温度550℃，最低温度250℃）热机械疲劳寿命低于上限温度的等温（温度550℃）疲劳寿命。这表明在相同的应力幅下，热机械疲劳比等温疲劳产生更严重的损伤，用最高温度下的等温疲劳寿命代替热机械疲劳寿命并不一定得到可靠的结果。在等温疲劳条件下，疲劳裂纹主要为穿晶萌生与扩展，而在热机械疲劳条件下，疲劳裂纹主要沿晶萌生与扩展。文中还以Chaboche高温疲劳损伤模型为基础，考虑损伤系数是最高温度和温度范围的函数来评价载荷控制下材料的热机械疲劳寿命。在热机械疲劳试验中，考虑温度变化产生的附加内应力，因此每一循环的损伤不仅是最大应力和平均应力的函数，而且与最高温度和温度循环范围有关。根据累计损伤的等效温度法，取最大温度为等效温度。热作模具钢在热机械疲劳过程中，由热循环产生的附加损伤通过损伤指数系数表示。结果表明，该预测结果与试验结果十分吻合。     

热等静压对铸造高温合金疲劳性能的影响

本文研究了热等静压对K 17和K 17 G 两种合金在650℃和700℃不同应力下的低周疲劳性能,700℃下不同应力的高温高速疲劳性能及室温下高周疲劳性能的影响。试验表明:经HIP 后低周疲劳寿命及高温高速旋转疲劳寿命均明显提高,结果还表明,铸造试样的疲劳裂纹成核于表面疏松处,而热等静压处理疲劳裂纹起源于试样内部;HIP 处理可使试样微裂纹扩散速率减慢。     

S135钻杆钢在H_2S环境中的腐蚀疲劳行为

对S135钻杆钢在空气和H_2S环境中进行了不同应力幅下的疲劳试验,得到了不同条件下的疲劳寿命,并应用回归分析方法得到了该钻杆钢在不同环境中的疲劳寿命公式,分析了其疲劳断裂机制。结果表明:在空气环境中,试验钢呈现明显的疲劳极限特征;在H_2S环境中,相同当量应力幅下试验钢的疲劳寿命比在空气环境中的低,且在很低的当量应力幅下仍会发生断裂,不存在疲劳极限;在不同环境和不同当量应力幅下,试验钢的疲劳裂纹均萌生于试样表面或靠近表面处,裂纹源区以解理断裂为主;在空气环境中,裂纹扩展区以疲劳条带为主要特征,在H_2S环境中,裂纹扩展区以解理平面和解理台阶为主要特征,在其解理平面上存在大量的二次裂纹,具有氢脆断裂的特征。     

大块含铌MC碳化物对LF2合金高温性能的影响

对700℃长时时效态LF2合金在700℃进行高温拉伸试验,并对固溶时效态LF2合金在725℃进行拉伸持久试验,主要分析了含铌MC碳化物对其断裂机理的影响。结果表明:在高温拉伸状态下,裂纹在大块含铌MC碳化物周围萌生,然后扩展,最终断裂;高温持久状态时,裂纹起源于大块一次含铌MC碳化物周围,然后沿晶扩展直至断裂,表现为沿晶断裂特征;大块含铌MC碳化物是影响LF2合金高温性能的最主要因素。     

2E12铝合金的疲劳性能与裂纹扩展行为

研究了2E12合金在不同应力水平下的疲劳性能及疲劳裂纹扩展速率,采用透射电镜和扫描电镜观察了该合金的微观组织和断口形貌特征.结果表明:高纯2E12合金具有良好的耐损伤疲劳性能,当应力比R=0.1时,疲劳强度σ=172 MPa,R=0.5时的疲劳强度σ=280 MPa,比R=0.1时提高了60%,缺口的存在降低了疲劳强度.R=0.1,△K=30 Mpa·m1/2时,da/dN约为2.7×10-3 mm/周,比国产2024合金裂纹扩展速率(6.5×10-3 mm/周)低60%左右.2E12合金疲劳断口由裂纹源区、裂纹扩展区及瞬断区三部分组成,裂纹萌生一般位于试样表面应力集中处或不同类型的缺陷部位.     

镍基单晶高温合金蠕变-疲劳寿命评估方法进展

论述镍基单晶合金的滑移变形机制和疲劳裂纹萌生机理，分别介绍镍基单晶合金蠕变寿命和低循环疲劳寿命分析评估模型；镍基单晶合金蠕变、疲劳寿命的研究方法可分为应用各向异性张量描述非弹性各向异性变形的宏观力学(唯象)模型和基于晶体学滑移变形理论的微观力学模型；晶体取向、平均应力、环境温度、循环频率、循环应力比是影响单晶合金蠕变-疲劳寿命的主要因素。复杂应力状态下的单晶合金多轴低循环疲劳损伤，单晶合金在疲劳-蠕变交互作用下的疲劳损伤和单晶合金的接触疲劳损伤等问题是需要研究的重要课题。