喷丸残余应力及夹杂影响小裂纹仿真概率模型

提出考虑喷丸残余应力及内部夹杂影响的随机内部小裂纹形核扩展概率模型，实现构件内部疲劳裂纹萌生过程的仿真。针对高温合金X，在开展试验的数据基础上，识别模型所需的残余应力分布参数、“形核相关”夹杂尺寸分布参数、微观结构相关塑性本构参数及小裂纹形核扩展参数。模型成功预测喷丸等直棒两种主要的形核方式：残余拉应力平衡层夹杂形核及无残余应力区夹杂形核。与试验对比，模型预测内部裂纹萌生寿命及其分散精度高，残余拉应力平衡层预测萌生寿命中值误差为2%，-3σ寿命误差为37%，无残余应力区预测萌生寿命中值误差为3%，-3σ寿命误差为3%；此外，模型仿真的内部裂纹形貌为“鱼眼形”，贴合试验件断口形貌。     

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.     

基于材料微观特性的涡轮盘疲劳裂纹萌生寿命数值仿真

 为了研究材料微观特性对结构疲劳寿命的影响,根据Tanaka-Mura疲劳裂纹萌生寿命计算理论,模拟某镍基粉末合金涡轮盘喉道表面疲劳裂纹萌生寿命。利用泰森多边形生成法,模拟微观多晶结构,建立宏-细观模型相结合的三维仿真模型。实现3项关键技术:1)在三维模型中模拟了面心立方晶体中{111}面族的12条主滑移系;2)应用缺口根部裂纹萌生的Tanaka-Mura理论模型模拟一条微裂纹在另一条裂纹尖端萌生;3)模拟了微裂纹的起裂、扩展与联合过程,最终形成一条宏观裂纹。对某表面带刀痕涡轮盘疲劳裂纹萌生寿命数值仿真结果与真盘试验结果相差20%。研究表明,减小晶粒尺寸、降低表面粗糙度、形成表面压缩残余应变以及析出沉淀颗粒都有利于提高涡轮盘的疲劳裂纹萌生寿命。     

含孔薄板孔边疲劳裂纹的萌生和扩展

 测试了 Ni基高温合金 GH41 69含孔薄板试件不同应力幅下的低周疲劳寿命,给出了孔边最大应力幅相同时,应力集中因子改变对试件疲劳寿命的影响。结合断口 SEM分析,探讨了应力集中条件下,疲劳短裂纹的萌生和扩展方式。试验结果表明,疲劳裂纹以滑移方式在孔壁与试样表面相交的棱上萌生;萌生期依赖于孔边应力幅的大小,与孔径无关。但疲劳裂纹扩展速率与孔边局部区域的应力分布有关。在孔边应力幅相同的情况下,孔边应力集中因子较大的试样裂纹扩展速率大,疲劳寿命分布带略低于孔边应力集中因子较小的试样。短裂纹阶段,疲劳裂纹以角裂纹的形式向内扩展;长裂纹阶段,疲劳裂纹以穿透裂纹的形式进行扩展。稳定扩展阶段疲劳裂纹以穿晶的韧性撕裂方式发展,但在靠近失稳扩展区域疲劳裂纹呈准解理断裂方式扩展。试验未观察到疲劳短裂纹群的连接与合并现象。     

DD6 单晶合金涡轮转子叶片裂纹与内腔等轴晶成因研究

为排除某航空发动机DD6单晶合金涡轮转子叶片振动试验过程中出现异常裂纹的故障,开展了裂纹外观检查、断口宏观和微观形貌分析、表面检查、解剖分析、显微组织检查、成分分析及应力分布计算等工作,对故障叶片失效原因及内腔局部区域的等轴晶成因和机理进行研究。结果表明:DD6单晶合金涡轮转子叶片裂纹性质为高周疲劳,裂纹过早萌生与叶片内腔存在等轴晶有直接关系,且附近存在无枝晶的异常组织也促进了疲劳裂纹的萌生及扩展。同时,等轴晶在叶片使用之前已存在,是由于内腔工艺孔处的高温合金焊料遗留,高温真空焊接时形成易形核质点。建议加强对叶片内腔生产质量的控制,并对叶片内腔工艺孔附近危险部位进行严格检查,避免此类故障再次发生。     

GH4169合金在650℃下疲劳小裂纹萌生和扩展行为

研究了GH4169高温合金在高温条件下小裂纹的萌生和扩展行为。选用单边缺口试样,在650℃下进行应力比R为0.1,频率为0.5Hz的高温低频疲劳试验,采用覆膜法记录裂纹长度。结果表明,在试样缺口根部只存在一条主裂纹,且萌生于夹杂物附近,疲劳小裂纹扩展阶段占全寿命一半以上。利用SEM对断口进行断面微观分析,发现疲劳小裂纹倾向于以半椭圆形向试样内部扩展。同裂纹扩展速率曲线相对比,发现在断裂模式转变处裂纹扩展发生停滞现象,且在裂纹扩展完全由穿晶扩展转变为沿晶扩展之后,裂纹快速长大,导致试样断裂。     

表层梯度强化的缺口试样疲劳寿命数值研究

利用改进的Tanaka-Mura模型,确定复杂疲劳载荷与拉压疲劳载荷之间的等效转换关系,给出残余压应力的影响规律,并利用这一模型,针对含缺口的表面强化处理试样的疲劳寿命与裂纹起源位置进行系统地数值分析。结果表明:缺口试样的疲劳形核寿命和位置与强化层的厚度、表面与基体硬度比以及残余应力相关;强化层厚度变化会改变裂纹形核位置;存在临界厚度,当强化层厚度小于临界厚度,裂纹形核于强化层与基体的界面,否则,形核于强化亚表层或表面;表面与基体的硬度比增加会导致临界厚度增加;残余压应力对疲劳萌生寿命影响较小,而残余拉应力则明显降低疲劳萌生寿命。     

基于小裂纹理论的GH4169高温合金的疲劳全寿命预测

将基于小裂纹理论的疲劳全寿命预测方法应用于恒幅载荷作用下的高温合金GH4169材料的全寿命预测。采用单边缺口试样研究了该合金在室温下应力比为0.1和0.5的自然萌生的小裂纹的起始和扩展行为,结果表明疲劳小裂纹均起始于试样表面夹杂,并且小裂纹扩展寿命占疲劳全寿命的大部分比例。在裂纹扩展速率da/d N低于10-5mm/cycle的区域,表现出明显的小裂纹效应。基于小裂纹和长裂纹的扩展数据,利用Newman裂纹闭合模型,获得了裂纹扩展的da/d N-ΔKeff基线数据。对高周疲劳试样的断口形貌进行观察,得到以材料夹杂尺寸作为初始裂纹尺寸的值ai。根据初始裂纹尺寸和裂纹扩展的基线数据,利用FASTRAN软件,对GH4169合金的疲劳全寿命进行预测,并用高周疲劳试验S-N数据对预测结果进行评价,预测与试验结果能够很好地吻合。     

镍基高温合金蠕变裂纹扩展的微观力学分析

光滑和预制裂纹的高温合金试件的应力持久寿命的实验结果说明,预先存在的小裂纹,严重地降低高温合金构件的应力持久强度和寿命。 扫描电镜和金相照片分析说明,裂纹沿晶界孔洞扩展。根据孔洞增长和与主裂纹顶端会合的微观力学分析,用蠕变J积分参量和裂纹张开位移速率推导出蠕变裂纹扩展公式。GH_(33A)高温合金的实验数据论证了上面的断裂力学分析。     

多点裂纹起始过程的计算机模拟

在多点裂纹起始的情况下,可以观察到多个微观裂纹的萌生和早期扩展,所以宏观裂纹形成的寿命估算是比较复杂的。本文介绍一种二维计算机模型,模拟一种马氏体钢F82H的多点裂纹起始过程,损伤的累积程度通过单位面积裂纹密度表示,微裂纹萌生循环数通过Tanaka-Mura公式确定。该模型可以模拟材料的微观结构参数(如晶粒尺寸和取向)对裂纹萌生寿命的影响,给出定量的寿命估算表达式。模拟的裂纹密度和循环数的关系与试验结果符合得相当好。     

镍基高温合金GH4169小裂纹早期扩展的原位疲劳试验

通过原位扫描电子显微镜(SEM)疲劳试验,研究了直接时效GH4169高温合金在室温下的疲劳小裂纹萌生和早期扩展过程.结果表明:在应力比R=0.1的拉-拉疲劳载荷作用下,疲劳小裂纹的萌生寿命仅为全寿命的20%左右.疲劳小裂纹起源于表面夹杂,以半椭圆表面裂纹形状扩展,扩展后期穿透试样一侧形成角裂纹,角裂纹迅速扩展导致试样断裂.疲劳小裂纹的早期扩展易受局部微观结构的影响,扩展速率分散性较大.      

镍基高温合金GH536的热疲劳行为

燃烧室火焰筒作为航空发动机的热端关键结构件，在工作过程中受到复杂的循环温度载荷，使其承受热疲劳损伤.对火焰筒常用镍基高温合金GH536的热疲劳行为进行试验研究.根据火焰筒结构和载荷特征，设计了中心孔平板试样以及热疲劳试验，研究了热疲劳载荷条件下GH536平板的裂纹萌生及扩展规律，揭示了GH536的热疲劳破坏机理.研究发现:①热疲劳裂纹以穿晶模式萌生，以沿晶方式扩展并断裂；②随着热疲劳试验中上限温度的升高，裂纹的萌生寿命缩短，裂纹扩展速率加快，试样在800℃时的热疲劳裂纹萌生寿命是900℃裂纹萌生寿命的4.5倍.      

基于微观结构的2B06铝合金全寿命概率模拟

通过新型铝合金2B06轧制薄板材料的金相分析和疲劳断口的扫描电镜分析知,其疲劳裂纹萌生机理与材料微观结构有着紧密的联系,该型铝合金轧制薄板光滑试件的疲劳裂纹一般倾向于尺寸较大的S相(Al₂CuMg)粒子处萌生。经统计分析获得S相粒子尺寸的分布规律;将S相粒子当量假设为表面裂纹,运用概率断裂力学,建立涵盖"材料微观结构→短裂纹扩展→长裂纹扩展→断裂"失效过程的全寿命概率模拟理论模型,通过不同应力水平和不同应力比的多组疲劳试验对模型进行验证。结果表明,提出的全寿命概率模拟方法是合理的、可行的。     

粉末高温合金FGH96原始颗粒边界及高温原位高周疲劳研究

利用扫描电镜原位观察的方法研究了粉末高温合金FGH96中不同级别的原始颗粒边界(PPB)在550℃下对合金高周疲劳力学行为的影响。结果表明:采用等离子旋转电极(PREP)制粉+热等静压(HIP)工艺制备的FGH96合金中PPB主要由大尺寸γ'相和碳化物组成;不同级别的PPB对高周疲劳裂纹萌生和扩展均无显著影响,裂纹萌生于晶粒内部,裂纹扩展受晶界与应力轴角度影响,穿晶或沿晶扩展;在裂纹快速扩展区和瞬断区,PPB级别严重的FGH96合金断口呈现穿晶和沿PPB断裂的形貌。     

高温合金线性摩擦焊接头疲劳裂纹扩展有限元分析

为了表征高温合金线性摩擦焊接头疲劳服役环境下疲劳裂纹的萌生及扩展行为,揭示裂纹扩展对接头失效的影响机制,基于有限元法研究高温合金线性摩擦焊接头疲劳裂纹扩展的行为及其重要影响因素.以接头失效内因(孔洞、硬质夹杂、残余应力)为研究对象,建立不同几何和位置特征的含有初始孔洞及夹杂的疲劳接头有限元模型,研究不同特征下疲劳接头裂...     

GH3044的高温低周疲劳性能研究

研究了镍基高温合金GH3044在600℃下的低周疲劳性能,分析了合金的循环应力-应变和应变-寿命关系,利用Manson-Coffin方程、三参数幂函数方程和拉伸滞后能模型对寿命数据进行回归分析。结果表明,合金的循环应力响应行为在600℃时,呈现明显的循环硬化特征,原因在于循环变形过程中位错之间以及位错与析出相之间的相互作用;从试样的疲劳断口形貌发现,裂纹主要萌生于试样表面处,裂纹形成后垂直于加载轴方向扩展,断口呈韧窝断裂特征;在合金的低周疲劳寿命预测研究中发现,拉伸滞后能模型的寿命预测结果无论从标准差,还是分散带方面比较都比Manson-Coffin方程、三参数幂函数方程的预测精度好。     

某动力涡轮盘裂纹扩展寿命研究

为研究某动力涡轮盘GH4169合金的疲劳裂纹扩展特性,基于Paris公式建立裂纹扩展模型,完成3维裂纹扩展过程的有限元仿真分析,确定试验方案;采用电火花加工工艺在轮盘不同考核部位预制模拟裂纹,以缩短裂纹萌生时间;在高速旋转试验台上进行高温低循环疲劳裂纹扩展试验,试验过程中,在20500 r/min上限转速下进行9000次循环未发现裂纹,提速10%后进行3000次循环发现裂纹;又进行1700次循环,轮盘破裂。试验结束后,利用扫描电镜对疲劳断口进行观察,获得断口宏观、微观特征。将仿真结果与试验结果进行对比,表明仿真分析计算得到的裂纹扩展速率与试验结果有较好的符合性。     

基于Tanaka-Mura模型的电子束焊接头疲劳裂纹萌生模拟

为揭示高温合金电子束焊接头的疲劳特性,对其开展了疲劳裂纹萌生数值模拟研究。考虑焊缝区微观组织特性,对Voronoi图法进行改进,建立了焊缝区包含柱状晶、细等轴晶及粗等轴晶的混合晶区微观组织模型;对ABAQUS进行二次开发,考虑晶粒随机取向,生成晶粒多滑移带模型。基于Tanaka-Mura位错滑移模型,编写了疲劳裂纹萌生算法,考虑晶界处裂纹的连接与合并,对算法进行了改进,并结合有限元计算建立了电子束焊接头疲劳裂纹萌生数值模拟方法。基于上述方法对GH4169电子束焊接头不同载荷大小的疲劳裂纹萌生进行数值模拟,分析了裂纹萌生过程及萌生寿命,并与试验结果进行对比验证;还探讨了不同热影响区晶粒尺寸对焊接接头疲劳裂纹萌生的影响规律。结果表明,电子束焊接头疲劳裂纹均萌生于热影响区,但随着载荷水平的提高,萌生位置向熔合区一侧靠近;当热影响区晶粒尺寸与母材区晶粒尺寸越接近时,接头疲劳寿命越长。     

GH4169合金晶粒尺寸与持久性能的关联性

以GH4169合金大规格棒材为研究对象,结合棒材的加工过程,利用OM、FE-SEM、EBSD和TEM等手段分析了该合金不同晶粒尺寸试样的持久性能。结果表明:在长时高温应力作用下,不同晶粒尺寸试样呈现不同的持久性能和不同的晶粒取向演变规律。发生变形至断裂的位置,晶粒尺寸较小时,部分〈101〉取向明显转向〈001〉或〈111〉取向,加上宏观变形协调性较好,促使应力集中得到有效释放,表现出较好的塑性;但细晶试样中更多晶界带来的扩散蠕变对高温强度不利,裂纹也容易在与〈111〉硬取向晶粒接邻的晶界处形核并扩展,降低持久寿命;此外,细晶试样的变形程度较大,应变主要集中于晶界处,且大角度取向差的含量较多,这些位置容易萌生裂纹而使寿命降低。     

考虑应力比及温度影响的粉末高温合金短裂纹扩展模型研究

短裂纹扩展已成为先进粉末涡轮盘疲劳寿命预测的关键，为了准确模拟粉末高温合金材料短裂纹扩展阶段，针对FGH96粉末高温合金，重点关注应力比、温度对短裂纹扩展的影响规律，建立了一种工程适用的、基于Tanaka模型修正的短裂纹扩展寿命预测方法。模型采用裂纹闭合参数表征应力比影响、采用热力学理论表征温度影响，实现了不同应力比、温度条件下短裂纹扩展规律的统一描述，相比于传统模型在预测精度、工程适用性方面具有显著优势，与试验结果的相对误差小于20%。