高钴钼不锈轴承钢疲劳裂纹萌生及扩展行为

采用高钴钼不锈轴承钢光滑圆柱形试样和缺口试样(理论应力集中系数K_t=3)进行旋转弯曲疲劳测试,研究了高合金轴承钢的裂纹萌生及裂纹扩展行为。用升降法和成组法分别测得轴承钢的疲劳极限和S-N曲线,利用扫描电镜对轴承钢旋转弯曲疲劳试样断口进行观察。结果表明,光滑试样起裂类型为单源萌生起裂,起裂源为表面缺陷和次表面夹杂物,表面缺陷为表面粗糙度、驻留滑移带和加工凹痕,次表面夹杂物为Al_2O_3-CaO-MgO-SiO_2复合夹杂;缺口试样疲劳极限显著下降,起裂类型为多源萌生起裂,计算得轴承钢的缺口敏感系数q_f为1.18。光滑试样疲劳破坏从以高应力幅粗糙度萌生表面裂纹的破坏向低应力幅驻留滑移带、加工凹痕、夹杂缺陷萌生裂纹转移。疲劳裂纹萌生寿命占整个疲劳寿命的94.1%以上。     

粉末冶金构件疲劳裂纹的扩展寿命

 针对航空发动机粉末冶金旋转盘件的疲劳裂纹扩展特性,以标准紧凑拉伸试样裂纹扩展数据为基础,基于Paris公式获得了材料典型温度下的裂纹扩展参数,并利用简单件对所采用的裂纹扩展计算方法进行了验证。进行了粉末冶金旋转构件的裂纹扩展试验,继而进行断口分析,通过测量疲劳条带获得了裂纹扩展寿命。同时,采用有限元方法计算出粉末冶金构件的裂纹扩展寿命,与实测值吻合较好,验证了裂纹扩展寿命分析方法的有效性及实用性。     

表面缺陷对单晶高温合金高周疲劳性能的影响

在定向凝固炉中采用螺旋选晶法制备了一种单晶高温合金试棒,标准热处理后加工成旋转弯曲高周疲劳试样,试样中间位置用电火花加工成不同尺寸的孔洞以模拟叶片的表面缺陷,在980 ℃、应力分别为400 MPa和500 MPa条件下,研究表面孔洞对合金高周疲劳性能的影响,用扫描电镜分析了疲劳试样的断口形貌.结果表明,与标准试样相比,带有孔洞合金的高周疲劳寿命都有不同程度的降低,随着表面孔洞尺寸增大,合金的疲劳寿命逐渐减小.在合金试样的高周疲劳断口上可见疲劳源区、裂纹扩展区和瞬断区.相对于标准试样,带有孔洞试样疲劳源除了试样表面,还有表面孔洞,所有试样都为多源疲劳断裂.与高温下拉伸持久的断裂机制不同,高温下旋转弯曲高周疲劳为类解理断裂.      

ZL111材料疲劳裂纹扩展速率试验

应用Instron1341电液伺服试验机进行了ZL111材料的裂纹扩展速率试验,利用Paris公式分析了该材料的裂纹扩展试验数据,结果表明:可以利用Paris公式获得的疲劳裂纹扩展速率公式计算指定应力强度因子幅下裂纹扩展速率.     

显微组织对X80钢疲劳裂纹扩展行为的影响

疲劳性能是油气管道安全设计和评价的重要参考因素。在MTS伺服液压万能试验机上，测定了贝氏体/铁素体(B+F)双相X80管线钢在不同应力下的疲劳寿命；使用MTS Landmark 250KN型疲劳试验机对C(T)试样的疲劳裂纹扩展速率da/dN进行了测定。结果表明，疲劳寿命随最大应力减小而增加，当最大应力降至最大工作应力460 MPa,疲劳寿命约为4.1×10⁵循环周次；疲劳裂纹产生于钢板表面，然后向内扩展，直至断裂。在Paris区，当ΔK=30 MPa m^1/2,疲劳裂纹扩展速率da/dN与应力强度因子幅值ΔK的关系曲线图出现转折点。研究成果可为高强钢的疲劳寿命预测和疲劳性能评估提供参考。     

HRB400 Ⅲ级抗震钢筋的低周疲劳性能

对HRB400 Ⅲ级抗震钢筋的低周疲劳性能进行了研究。采用轴向应变控制方法,在岛津电液伺服疲劳试验机上测定了试验钢低周疲劳过程中的循环应力响应特征及循环应力与应变的关系;通过拟合Basquin公式和Coffin-Manson公式,获得了试验钢的低周疲劳寿命预测公式。断口扫描发现,试验钢裂纹起源于试样表面,通过不断扩展形成微裂纹,再连接成宏观裂纹,最终导致材料断裂。     

重熔处理对火焰热喷涂Ni60A涂层件疲劳性能的影响

为了研究重熔处理对火焰热喷涂件疲劳性能的影响,本文应用火焰热喷涂技术在40Cr基体上制备出Ni60A自熔性粉末合金涂层,将热喷涂件经不同时间的火焰重熔处理后,应用疲劳试验机测试了喷涂试样及基体试样的弯扭疲劳寿命,分析了试样的宏观断口及极限应力。结果表明:重熔处理时间是影响热喷涂件疲劳寿命的关键因素之一。当重熔时间不足时,涂层表面缺陷为主要裂纹源,涂层与基体的结合力不强,极限应力随裂纹的萌生波动,裂纹在涂层中的扩展以微观第一阶段为主,断口大多为瞬断面,无疲劳辉纹,热喷涂件的疲劳寿命较短;当重熔时间过长时,涂层强度有所提高,但涂层中再次形成的缺陷为主要裂纹源,极限应力波动显著,裂纹在涂层中的扩展为微观第一阶段及第二阶段,断面有较明显的疲劳辉纹;当重熔时间合理时,缺陷对喷涂件疲劳寿命的影响减弱,构件疲劳寿命显著提高。     

A7085铝合金Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展及其数值模拟

为探究不同加载角度下A7085铝合金Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展机理,在MTS疲劳试验机上采用紧凑拉伸剪切试件（CTS）对A7085铝合金进行不同加载角度的疲劳实验;用有限元分析计算不同裂纹扩展长度的裂纹尖端应力强度因子,通过七点递增多项式法对数据进行处理,计算出A7085铝合金Paris公式中的参数C和m.结果表明不同加载角度的裂纹基本沿着与外载荷垂直的方向扩展,裂纹扩展路径近似为一条直线,裂纹扩展角测量结果基本符合最大环向拉应力理论;Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹一旦发生扩展,Ⅱ型应力强度因子K_Ⅱ所占比例急剧减小,Ⅰ型应力强度因子K_Ⅰ不断增大,此后K_Ⅱ远远小于K_Ⅰ,有效应力强度因子（K_Ⅰ和K_Ⅱ的组合）基本等于K_Ⅰ,相当于裂纹扩展主要受Ⅰ型应力强度因子控制,研究结果有助于对Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展机理的理解.      

高强度织构对2524铝合金疲劳性能的影响

对分别含有高强度高斯织构和高强度立方织构状态的2种2524-T4铝合金板材的疲劳裂纹扩展速率和短裂纹扩展行为进行研究,用扫描电镜(SEM)观察疲劳试样断口形貌和疲劳短裂纹的扩展路径,研究织构类型对合金疲劳性能的影响。结果表明:高斯取向晶粒能够提高材料疲劳裂纹扩展的门槛值及增强疲劳裂纹的扩展抗力,使材料在更高的应力强度因子下发生失稳扩展;而高强度立方织构对疲劳性能的影响相对较小。在近门槛区,高斯晶粒通过裂纹偏转的形式有效阻碍短裂纹扩展,在稳态扩展区,高斯晶粒能明显降低疲劳裂纹的扩展速率,高斯织构还能延长合金疲劳裂纹稳态的扩展区,提高合金的疲劳损伤容限。因此,高强度高斯织构的2524-T4铝合金板材比立方织构的合金具有更好的疲劳性能。     

激光金属沉积TA15钛合金工字梁疲劳性能研究

激光金属沉积（LMD）是一种应用广泛的金属增材制造技术,可以快速成形复杂的结构件。以TA15钛合金粉末为原材料,采用激光金属沉积技术成形了TA15工字梁缩比件,进行了LMD TA15钛合金工字梁试样的疲劳试验和失效分析,研究了LMD TA15钛合金材料和结构的疲劳性能。对4件试样在应力比为0.06,载荷峰值为80%静力破坏载荷的交变载荷下进行四点弯曲疲劳试验,受成形缺陷影响,试样出现混合失效模式：两件试样无明显缺陷,裂纹形态为受拉缘条角裂纹,两件试样为内部气孔缺陷诱发失效,裂纹形态为受拉缘条半椭圆裂纹。起裂位置与缺陷和应力水平有关,存在明显的差异。为阐明试样疲劳失效行为,进行了有限元分析,获得起裂位置的应力水平,分析了缺陷和应力水平对疲劳寿命的影响。结果表明,缺陷是影响试样疲劳性能的主导因素,缺陷降低疲劳寿命50%以上,对于无明显缺陷试样,试样的疲劳行为受到应力水平控制。     

压痕对车轴钢疲劳极限的影响

利用硬度计在光滑沙漏状车轴钢疲劳试样上制造压痕,同时利用电火花在试样上加工缺陷,通过疲劳试验研究两种缺陷尺寸与试样疲劳极限之间的关系.将两类试样的测试结果和基于材料硬度、缺陷投影面积的Murakami模型计算结果进行对比.利用扫描电镜观察试样疲劳断口.结果表明,与计算结果相比较,压痕局部塑性变形导致的加工硬化和残余应力对试样的疲劳强度没有影响,裂纹依然从应力集中最大的压痕底部起裂.电火花缺陷表面粗糙度较大引起二次缺口效应,表面硬脆的重铸白层上还有微孔和微裂纹存在,导致此类试样疲劳强度低于模型计算结果,裂纹从电火花缺口底部多处萌生.     

板条组织Ti-22Al-25Nb合金高温高周疲劳行为

研究了双尺寸板条组织Ti-22Al-25Nb合金在650℃和700℃下的高周疲劳行为,采用升降法测试了合金的高温高周疲劳强度极限。当应力比R=-1,循环周次Nf=107次时,650℃和700℃的疲劳强度极限分别为470 MPa和400 MPa。由于不同阶段的高周疲劳裂纹在高温条件下暴露的时间不同导致试样断口表面的氧化产物不同,从而使得高温高周疲劳试样的断口上呈现出不同颜色的区域。通过颜色的变化发现疲劳裂纹既可萌生于试样表面,也可萌生于次表面,并且高周疲劳裂纹在次表面形核的试样具有更高的疲劳寿命。此外,研究发现双尺寸板条组织在高温高周疲劳损伤过程中以胞状析出的形式发生B2→β+O相变,形成组织中的不均匀区域,促使疲劳裂纹在此优先形核。     

Ti-22Al-25Nb合金板条组织高温高周疲劳行为

研究了双尺寸板条组织的Ti-22Al-25Nb合金在650 ℃和700 ℃下的高周疲劳行为,采用升降法测试了合金的高温高周疲劳强度极限,当应力比R=-1,循环周次Nf=107次时,650 ℃和700 ℃的疲劳强度极限分别为470 MPa和400 MPa。对于双板条组织的Ti-22Al-25Nb合金,其疲劳裂纹既可萌生于试样表面,也可萌生于次表面,并且高周疲劳裂纹在次表面形核的试样具有更高的疲劳寿命。此外,研究发现双尺寸板条组织在高温高周疲劳损伤过程中以胞状析出的形式发生B2→β+O相变,形成组织中的不均匀区域,促使疲劳裂纹在此优先形核。     

FGH95合金高低周复合疲劳行为

为了解高周振动应力对FGH95合金低周疲劳过程的影响,对FGH95合金进行高低周复合疲劳和低周疲劳试验。试验结果表明：在低周疲劳过程中叠加的高周振动明显降低了FGH95合金的低周疲劳寿命;且叠加的高周振动应力越大,FGH95合金的低周疲劳寿命降低程度越大。宏观和体视显微镜下分析的试样断口形貌显示：断口呈平坦区和倾斜区两大部分,表面粗糙,有明显的反光小平面。最后,着重用扫描电子显微镜（SEM）分析疲劳裂纹扩展不同阶段的形貌特征,并对不同试验条件下的相同裂纹扩展阶段的裂缝形貌特征进行比较。     

缺口对渗氮CrNiW钢超高周疲劳特性的影响

 为了研究缺口敏感性对渗氮CrNiW钢疲劳特性的影响,设计了一种光滑试样和两种缺口试样(应力集中系数K_t=1.20、1.55),开展了渗氮CrNiW钢的超高周疲劳试验,使用SEM观测疲劳断口的微观结构,分析了疲劳缺口系数K_f、疲劳敏感系数q和循环周次N_f之间的关系。结果表明,渗氮对钢材疲劳性能的提升不大,光滑试样和K_t=1.20的缺口试样存在表面和内部两种起裂模式,诱发内部起裂的缺陷均位于内部非渗氮区,K_t=1.55时发现一种新的渗氮层内不均匀基体组织诱发的失效模式。光滑试样未出现双重S-N特性,K_t=1.20时S-N曲线出现表面与内部起裂双重S-N特性,K_t=1.55时出现短寿命区和超高周寿命区表面起裂双重S-N特性。随着K_t的增大,多个内部缺陷同时萌生裂纹的现象被单裂纹源诱发失效的现象取代,并且诱发失效的内部缺陷位置呈现向试样表面靠近的趋势,鱼眼形状呈近似横向扁形→圆形→纵向椭圆形变化。缺口应力集中对表面起裂疲劳寿命影响较大,对内部起裂疲劳寿命影响很小。     

基于直流电压降法的传热管疲劳裂纹扩展速率测量

介绍了基于直流电压降法测量蒸汽发生器传热管690合金轴向疲劳裂纹扩展速率的销加载拉伸方法.该方法与其他方法相比较,可以直接采用原始管状材料,在线连续测量管状试样在不同应力强度因子下的疲劳裂纹扩展.通过对标准紧凑拉伸试样的类比分析,建立传热管试样的销加载拉伸模型,并对该模型进行电学和力学有限元模拟分析,确定直流电压降数据采集方法.验证试验采用核电蒸汽发生器用690合金传热管,分别研究了室温和高温325℃空气中载荷和温度对材料疲劳裂纹扩展速率的影响,试验结果采用Paris-Erdogan公式进行拟合,吻合度较好.扫描电镜下观察端口形貌,疲劳裂纹的扩展为穿晶形式,在穿晶断口上观察到明显的疲劳辉纹和微塑性区.     

高温渗碳轴承钢旋弯疲劳裂纹萌生与扩展行为

 为了提高航空轴承的服役寿命,借助QBWP-10000X型旋转弯曲疲劳试验机,研究了高温渗碳轴承钢的旋转弯曲疲劳性能和裂纹萌生扩展行为。结果表明,钢的中值疲劳强度达到913.3 MPa。有效渗层中大量M₂₃C₆和少量M₆C碳化物显著提高了试验钢的表面硬度,渗层不同碳浓度导致马氏体先后发生相变而形成408 MPa表面压应力,进而提高了钢的疲劳性能。疲劳裂纹主要萌生在表面缺陷和次表面碳化物,分别占比71.4%和 28.6%。萌生裂纹缺陷特征尺寸及承载应力对应力强度因子和循环次数影响显著,深犁沟形状由于涉及应力集中而直接影响疲劳循环次数,承受相同加载应力碳化物特征尺寸越大,循环次数越低。裂纹萌生后沿渗碳层碳化物边界快速扩展同时向芯部缓慢扩展,最后在试样疲劳源对侧近边缘区域发生准解理和韧性混合断裂。     

32Cr3MoVE轴承钢旋弯疲劳特性及裂纹萌生扩展行为

摘要：采用光滑漏斗状试样对32Cr3MoVE轴承钢进行旋转弯曲疲劳测试，研究了32Cr3MoVE轴承钢旋转弯曲疲劳性能及裂纹萌生扩展行为。采用升降法测得其疲劳极限为860MPa，疲劳断口SEM观察并统计破断试样结果表明：疲劳破坏68.7%是由于非金属夹杂起裂，18.8%由表面加工缺陷起裂，125%为表面粗糙度起裂。当加载应力低于980MPa时，疲劳断裂主要是由于内部非金属夹杂引起的，高于980MPa时，疲劳断裂主要是由于表面粗糙度引起的。表面加工缺陷和表面粗糙度引起的最大应力强度因子分别为3.05和2.97MPa·m1/2，容易引发疲劳裂纹。非金属夹杂物尺寸在5.30～5.90μm范围内，局部应力从859.35MPa升至977.75MPa时，疲劳寿命从1.96×105降低到1.58×105；非金属夹杂物局部应力在840～900MPa范围内，夹杂物尺寸从2.28μm升至5.83μm时，疲劳寿命从1.10×106降低到1.96×105。     

7475-T7351铝合金抗疲劳性能研究

采用旋转弯曲疲劳试验、轴向加载疲劳试验、疲劳裂纹扩展速率试验等疲劳性能测试方法,研究了7475-T7351铝合金厚板的疲劳性能.并通过透射电镜(TEM)和扫描电镜(SEM)分析了该合金的显微组织和疲劳断口形貌.结果表明:7475-T7351铝合金具有良好的耐疲劳损伤性能,光滑试样(Kt=1)在室温旋转弯曲和高温轴向加载条件下的疲劳极限分别为180.0和345.0 MPa,缺口试样(Kt=2.2)在室温旋转弯曲加载条件下的疲劳极限为91.9 MPa;合金厚板材料在高温下缺口敏感性有所降低;国产材料裂纹扩展速率随应力比增加而增大,裂纹扩展门槛值减小;国产7475铝合金与进口材料在裂纹稳定扩展阶段裂纹扩展行为基本相当;在近门槛值附近不同应力比下的裂纹扩展门槛值略有差别.     

M5合金的高温低周疲劳性能研究

M5合金是一种适用于高燃耗组件的新型锆合金,主要用作燃料棒包壳、端塞、导向管和定位格架材料。采用棒材试样,对M5合金在375℃温度下进行了5个应变水平的低周疲劳实验,应变比R=-1。对合金的循环响应特征进行了分析,并根据实验数据拟合出了疲劳寿命曲线和方程。用扫描电镜分析了低周疲劳样品的断口,讨论了合金的低周疲劳断裂特征。结果表明,在循环变形过程中,M5合金表现出了明显的硬化、饱和、软化阶段,其中饱和阶段所占比例较大,而硬化和软化阶段所占比例较小;其循环应变寿命特性遵循Coffin-manson关系;疲劳裂纹均起源于试样表面,且存在有多个裂纹源,断裂区布满发达的韧窝,属于明显的韧性断裂。