材料因素对金属疲劳裂纹扩展的影响

先进工艺和材料的发展往往突破了经典断裂力学理论中的宏观均匀各向同性材料假设,使得当前主要关注裂尖力学参数,仅以试验数据拟合参数来考虑材料因素影响的金属材料疲劳裂纹扩展分析方法难以适用.本文首先基于课题组近年来在金属材料疲劳裂纹扩展方面的研究,对材料因素导致的特殊疲劳裂纹扩展行为进行介绍,并对其机理进行分析和总结;然后,...     

镍基合金GH4169疲劳小裂纹的扩展行为

基于表面复型法，采用快速固化材料RepliSet监测了镍基合金GH4169单边缺口拉伸试样疲劳小裂纹的萌生和扩展行为，利用光学显微镜对复型进行了观测。结果表明:RepliSet材料可有效复制试样表面形貌，记录疲劳小裂纹的萌生和扩展过程。镍基合金GH4169疲劳小裂纹起始于材料表面夹杂，疲劳小裂纹早期扩展阶段受微观结构影响，扩展速率波动性较大。疲劳小裂纹扩展过程中的临界裂纹长度约为250μm，当主裂纹长度小于250μm时，裂纹扩展非常缓慢；但当裂纹长度超过250μm后，疲劳小裂纹快速扩展成为长裂纹并导致试样断裂。在双对数坐标系中，疲劳小裂纹扩展速率和裂纹长度近似为线性关系。      

GH4169合金疲劳裂纹扩展性能的试验研究

本研究中对GH4169高温合金的疲劳裂纹扩展性能进行了试验研究。主要进行了400℃～600℃范围内的疲劳裂纹扩展试验．其中对GH4169环形锻件进行了室温下的疲劳裂纹扩展试验。结果表明，在400℃-600℃范围内，温度对GH4169高温合金疲劳裂纹扩展性能的影响很小，随温度上升，裂纹扩展速率稍有加快；优质成分对GH4169高温合金的疲劳裂纹扩展性能几乎没有影响，在相同温度下，YZGH4169与GH4169的疲劳裂纹扩展速率几乎一样；材料品种对YSGH4169高温合金的疲劳裂纹扩展性能有一定影响，YSGH4169锻件比棒材的疲劳裂纹扩展性能要好一些。     

火焰筒掺混孔边裂纹萌生和扩展机理研究

利用有限元法，结合瞬态传热过程研究了火焰筒掺混孔内孔边裂纹形成和扩展机理，应用应变疲劳理论和裂纹扩展分析方法对裂纹萌生时间和扩展能力进行分析。由于火焰筒在热循环载荷作用下各处升温速度不一致．引起结构上的相互约束，使掺混孔边产生循环塑性变形导致疲劳裂纹萌生；裂纹萌生后会继续扩展，但这种扩展能力有限；孔边冷却区域大小会对裂纹扩展能力产生较大影响。     

双向梯度复合材料裂纹尖端应力强度因子研究

为了进一步改善梯度复合材料力学分析及设计水平,推导了一种适用于双向梯度复合材料断裂特性分析的梯度扩展单元法(XFEM).采用细观力学方法描述材料沿梯度方向变化的力学属性,通过线性插值位移场给出了4节点梯度扩展单元随空间位置变化的刚度矩阵,建立了结构的连续梯度有限元模型,并采用交互能量积分计算得到了裂纹尖端的应力强度因子(SIF).通过与已有文献结果对比验证了梯度扩展单元的优越性,并讨论了双向梯度结构中相关参数对SIF的影响规律,得到结论:梯度扩展单元能够提高梯度材料中裂纹尖端SIF的计算精度,其计算结果随着网格密度的增加迅速收敛于精确解;双向梯度结构的组份分布形式和属性梯度能够明显影响裂纹尖端的SIF;对于多裂纹双向梯度结构,裂纹间的相互作用增大了裂纹尖端的SIF,弹性模量大的一侧SIF较大.     

GLALL层板疲劳裂纹扩展特性分析

对玻璃纤维/铝合金混杂复合层板GLALL的疲劳裂纹扩展特性进行了有限元分析, 应用能量法得到了GLALL板铝合金层裂纹尖端的应力强度因子随裂纹长度的变化规律。由于高强度玻璃纤维对铝合金层裂纹的桥接作用, 降低了裂纹尖端的应力强度因子, 因而使得裂纹的疲劳扩展速率也大为降低, 且随裂纹长度的增加基本不变化。计算结果与实验符合很好。      

超声疲劳裂纹扩展性能的计算与分析

简述了超声疲劳试验机的工作原理以及应用超声疲劳试验技术研究工程结构材料疲劳裂纹扩展性能的实验方法。通过三维有限元计算及动态模态分析,研究了包括整体裂纹扩展试件及聚能器在内的振动体的应力、应变场和位移场,导出了确定裂纹尖端应力强度因子的位移法和能量法,并对这两种计算分析方法的特点以及所得到的结果进行了分析对比。计算与分析结果表明,应用能量法研究超声疲劳载荷下的裂纹尖端应力强度因子及疲劳裂纹扩展性能,具有简明和计算精度高等突出优点。      

含腐蚀预损伤铝合金2024-T62的疲劳断裂行为及基于断裂力学的寿命预测

针对2024-T62铝合金薄板系统地开展了腐蚀预损伤对材料疲劳S-N曲线、小裂纹萌生行为、长短疲劳裂纹扩展及物理小裂纹门槛值扩展行为的影响等试验研究.结果表明:腐蚀预损伤对材料疲劳S-N曲线及材料疲劳小裂纹萌生行为有明显的影响,但时材料长短裂纹扩展及物理小裂纹门槛值扩展行为没有明显的影响.通过假定腐蚀预损伤为初始小裂纹...     

逐次累积裂纹扩展计算的循环计数方法

给出一种疲劳损伤的累积方法,用于随机谱载下的裂纹扩展模型计算,该方法既能充分计及疲劳裂纹尖端材料的累积损伤作用,又提供了在裂纹扩展模型计算中实时考虑加载序列影响的可能性。本方法可应用于各类疲劳寿命及裂纹增长分析预测模型的计算,克服了以往方法中不能维持原有峰谷序列的缺陷,使模型计算过程更趋合理和符合实际的损伤机制,从而便于各种模型的发展、改进和评价。     

变幅载荷对高温合金裂纹萌生及扩展寿命的影响

为了更好地分析航空发动机用高温合金裂纹萌生阶段的变幅载荷对高温材料的低周疲劳裂纹萌生及扩展寿命的影响,将低周疲劳的裂纹萌生过程视作损伤累积过程,基于连续损伤力学建立了低周疲劳损伤累积模型.结合室温下GQGH4169合金的裂纹扩展试验数据,通过有限元建模计算和数值分析方法确定了模型中具体的损伤参数数值,并对裂纹萌生寿命进行了预测.结果表明:该方法不但能准确地预测变幅加载下CT试样的裂纹萌生寿命,而且能很好地反映萌生阶段变幅载荷对裂纹扩展寿命的影响,而且降低了试验成本.     

组织类型对钛合金损伤容限性能的影响及电镜原位观察

采用扫描电镜(SEM)原位拉伸、原位疲劳方法研究TA15钛合金三种类型组织的裂纹尖端形状和疲劳裂纹扩展速率及扩展过程,并与宏观力学性能对比.结果表明,片状组织由于裂尖钝化、裂纹扩展路径曲折及分枝,损伤容限性能比等轴、双态组织好,即断裂韧性最高,疲劳裂纹扩展速率最低.     

用再结晶法研究超载对疲劳裂纹扩展的效应

 本文用再结晶法测定了等幅循环载荷中施加超载后在裂纹尖端发生的高应变区内的塑性应变,求得了此区域的各参数与J积分、裂纹尖端张开位移CTOD及超载对疲劳裂纹扩展的延缓效应。实验结果表明,用再结晶法研究超载对裂纹扩展的延缓效应是一种很有效的方法。     

低周载荷对高周裂纹裂尖塑性区的影响

为探明高低周复合疲劳裂纹扩展中高低周载荷交互作用机理,采用弹塑性有限元模型模拟了含中心裂纹试件在高低周载荷交互作用下裂尖塑性区的变化.结果表明:低周载荷的卸载作用导致高周载荷对应的裂尖反向塑性区明显减小,裂纹闭合水平也因此降低,进而加速裂纹扩展,致使高低周复合疲劳裂纹扩展寿命降低.在此基础上,对比研究了低周载荷应力比、高周载荷应力比、高低周载荷循环比对裂尖反向塑性区的影响.结果表明:随着低周载荷应力比降低、高周载荷应力比增加,循环比的减少,均导致低周载荷的卸载作用增加.      

凡士林油膜对疲劳裂纹扩展的影响

 最近国外发展了用粘接修补裂纹的新方法并已获得一些成功的应用。本文通过试验研究,提出了一条维修裂纹的新途径。很可能由此发展出一种与现有维修方法不同,简单且有效地裂纹现场维修的新方法。 2.疲劳裂纹扩展对比试验 对比试验分两组在室温、空气中,MTS810电液伺服材料试验机上进行。 第一组用由20mm工业16Mn钢板制成的中心裂纹试样（图1（a））,应力比0.05。     

喷丸处理构件疲劳寿命预测机理模型研究

提出了一种新的机理模型,该模型以喷丸处理构件裂纹扩展分析为基础,说明喷丸处理对机械构件疲劳寿命预测的影响。在裂纹扩展过程中,引入了表征表面粗糙度影响的渐进应力强度因子,并用时变残余应力函数改变裂尖应力比。用试验数据验证机理模型的有效性,结果表明,试验数据和模型预测非常吻合。     

铝锂合金疲劳行为及机理

 本文综述了铝锂合金疲劳的研究进展,包括铝锂合金的疲劳长裂纹、短裂纹、裂纹萌生、光滑和缺口疲劳强度、循环应变行为、过载反应、低温疲劳和腐蚀疲劳、铝锂合金与2000和7000系铝合金疲劳性能的对比、热处理工艺、微观结构、合金成分等对铝锂合金疲劳性能的影响等。     

铆钉连接件细节应力分析及疲劳裂纹形成寿命预估

 首先建立简化的力学模型模拟复杂的铆钉连接件结构，并用有限元软件对所建立的模型进行细节应力分析。然后利用损伤力学守恒积分原理得到计及损伤耦合效应的集中应力表达式。在此基础上，根据由热力学原理导出的以损伤驱动力表示的损伤演化方程，给出裂纹形成寿命与载荷关系的解析表达式。进一步，按照某种材料的部分标准试件的中值疲劳曲线拟合损伤演化方程中的材质参量，并利用同类材料的其他标准试件的中值疲劳曲线进行寿命预估方法验证。最后，给出了国产某型客机危险部位具有不同存活率的疲劳裂纹形成寿命。     

动态扩展裂纹的热-弹塑性耦合分析

以弹塑性扩展裂纹的裂尖参数为研究对象,对快速扩展的裂纹问题进行了细致的分析。首先建立了经验的应变率以及热 -弹塑性耦合的材料本构关系,完善了增量路径无关积分参数 T*的数值计算。通过与 J积分的比较,给出了两种积分参数在不同扩展速度、是否考虑热和应变率影响等情况下的变化规律,说明了T*积分用于快速扩展裂纹的合理性和优越性。在裂尖场的讨论中,重点分析了裂尖应力、应变、应力三轴度和塑性区的演化发展过程,发现了快速扩展裂纹塑性区发展非单调的有趣现象,并且获得了应力三轴度可以作为裂纹扩展过程控制参数的基本结论。     

铝锂合金材料发展及综合性能评述

在抗疲劳设计等工程应用中,对材料综合性能的准确把握是使用材料进行设计的基础。作为一种航空材料,铝锂合金因具有高比强度、高比刚度的性能而受到青睐,与普通铝合金相比,铝锂合金的各方面性能,包括常规力学性能和疲劳断裂性能,具有独特特征。不同时期研发的铝锂合金产品,其各方面性能也有显著差异。本文通过比较铝锂合金和普通铝合金的性能差异,以及比较不同铝锂合金之间的性能差异,对铝锂合金材料性能发展进行综合评述。通过对铝锂合金发展历程、常规力学性能、疲劳极限和疲劳抗力、疲劳裂纹扩展抗力的分析,给出了结构设计选材的一些建议。     

疲劳裂纹尖端残余应力场的深度-传感压痕测试与有限元分析

 飞机和发动机等重要装备承力结构在服役过程中通常承受变幅疲劳载荷作用。直接测量和分析由于过载塑性变形而导致的裂纹尖端附近残余应力场,对于较好地理解变幅加载下疲劳裂纹扩展行为,从而改善和发展疲劳寿命预测模型具有重要价值。本文基于微细尺度的深度-传感压痕(DSI)残余应力测量技术,研究了材料疲劳裂纹尖端附近残余应力场的实用测试技术,获得了铝合金中心裂纹拉伸试样在恒幅及单峰疲劳过载作用下裂纹尖端附近的残余应力场分布。同时,还采用弹塑性有限元方法模拟分析了相同疲劳载荷下裂纹尖端附近相应的残余应力场分布。相互验证表明:两种方法获得了基本吻合的结果。