基于涡流阵列传感器的金属结构疲劳裂纹监测

针对飞机金属螺栓连接结构疲劳裂纹实时监测的需求,提出了一种基于柔性平面涡流阵列传感器的飞机金属结构疲劳裂纹监测方案,通过半解析建模对传感器的工作特性进行了研究,搭建了监测系统并通过试验对方案可行性进行了验证.半解析模型结果表明传感器感应通道与激励通道的相位差和幅值比随提离距离及被测试件电导率的变化曲线具有单调性,且幅值比变化大,敏感度高.程序载荷谱作用下2A12-T4铝合金试件疲劳裂纹监测试验结果表明:将各通道幅值比变化曲线中的拐点作为特征点,传感器通道1能对累积损伤进行监测,通道2,3,4能对疲劳裂纹扩展长度进行定量监测,监测精度达到1 mm.所提出的柔性平面涡流阵列传感器能够实现对疲劳试件从累积损伤到疲劳裂纹扩展整个寿命周期的监测.     

腐蚀环境下铜薄膜传感器金属结构裂纹监测

铜薄膜传感器在飞机金属结构损伤监测过程中,将长期面临大气腐蚀环境的影响。针对此背景,研究了铜薄膜传感器在腐蚀环境下的耐蚀性能,及腐蚀后的疲劳裂纹监测性能。首先,采用脉冲偏压多弧离子镀技术在不同弧电流和基体负偏压水平下制备了一系列铜薄膜,对其耐蚀性能进行了对比研究。结果表明,在弧电流60 A和基体负偏压250 V时沉积的铜薄膜耐蚀性能最佳。然后,结合耐蚀性能最佳的沉积工艺参数,在2A12-T4铝合金中心孔板试件上制备了同心环状铜薄膜传感器阵列,并开展了盐雾腐蚀试验。最后,对腐蚀试验后的铜薄膜传感器进行了疲劳裂纹监测试验。结果表明:铜薄膜传感器在腐蚀环境下具有良好的耐蚀性能,耐蚀时间达1 000 h;腐蚀试验后的铜薄膜传感器对裂纹变化敏感,能实现对裂纹定量监测,监测精度为1 mm,监测结果具有良好的可重复性。     

航空铝合金材料腐蚀裂纹扩展性能试验

腐蚀环境下的裂纹扩展性能是航空金属结构损伤容限设计的重要前提,为此,试验测定了3种航空铝合金材料(即2E12-T3、2E12-T42和7050-T7451)在2种腐蚀环境(3.5wt%NaCl溶液和油箱积水)下的裂纹扩展性能,在试验数据的基础上进行性能对比,并对试样断口进行SEM分析,研究了腐蚀和载荷联合作用对裂纹扩展的影响机理,研究结果表明:油箱积水环境对航空铝合金材料裂纹扩展的影响比3.5wt%NaCl溶液严重,铝合金2E12-T3和2E12-T42的腐蚀裂纹扩展性能优于铝合金7050-T7451,腐蚀环境下的氢脆效应和阳极溶解机制是造成腐蚀裂纹扩展加速的主要原因。     

焊接缺陷对异种铝合金TIG对接接头疲劳行为的影响

以5A06-O/7A05-T6异种铝合金钨极氩弧焊（TIG）对接接头为对象,通过疲劳试验数据和断口形貌分析,研究了气孔缺陷和未熔合缺陷对焊接接头疲劳性能的影响规律及机理。结果表明:气孔缺陷和未熔合缺陷对5A06-O/7A05-T6对接接头的疲劳性能均产生不利影响,且缺陷的大小、位置与载荷的交互作用是影响疲劳裂纹提前萌生的主要因素,同一应力水平下,疲劳裂纹更易萌生于尺寸较大且位置更接近于材料表面的焊接缺陷处,而随着应力水平的降低,焊接缺陷对焊接接头疲劳性能的不利影响更为显著;与气孔缺陷相比,未熔合缺陷边缘的应力集中效应更明显,更易导致疲劳裂纹萌生,且焊接接头组织相较于焊接母材组织更脆,疲劳裂纹以穿晶和沿晶形式交替扩展,使疲劳寿命进一步缩短。      

疲劳载荷下表面裂纹扩展时形状变化规律的研究

本文通过对Ly—12CZ铝合金板和30CrMuSi钢板表面裂纹在拉伸疲劳载荷作用下裂纹形状变化实验数据的分析,提出拉伸疲劳载荷作用下表面裂纹形状比a/b和深度——板厚比a/t随裂纹扩展时的关系式。利用此式进行理论计算,其结果与实验较符合。 此关系式对具有表面裂纹结构剩余寿命和剩余强度计算均有一定实用意义。     

LC_4高强度铝合金应力腐蚀断裂机理的研究(一)

本文用DCB试样研究了LC4高强度铝合金在pH=6～6.5,35℃±1℃的3.5％NaCl溶液中应力腐蚀断裂机理。 文中分析了断口表面的特征,并且指出靠近裂纹尖端的断口表面上被一层薄的钝化膜所复盖。它是一种非常有效的防止氢进入金属的阻挡层。 用金相跟踪照相的方法得到的应力腐蚀断裂试验结果证实裂纹尖端前沿的塑性区大小取决于裂纹尖端的K_1,而不取决于其它因素。 用恒电位技术得到的IgV—ψ曲线,表明阴极极化作用会抑制裂纹扩展,而阳极极化作用会促进裂纹扩展速率。 作者论证了LC4铝合金在试验条件下的裂纹扩展不是由于氢脆引起的。     

航空铝合金弹塑性状态疲劳裂纹扩展速率试验

研究含长裂纹薄壁结构弹塑性状态下的裂纹扩展规律对于保证机体结构安全具有重要意义.设计了民机用铝合金大宽板裂纹扩展速率测试用试验件和夹具,进行了2024-T3和7075-T6两种铝合金大宽板弹塑性状态下裂纹扩展速率测试.讨论了应力强度因子变程(ΔK)和裂纹中心线处的张开位移变程(Δδ)作为弹塑性状态下裂纹扩展速率表征参量的适用性.研究结果表明:中、高级应力水平作用下,含长裂纹铝合金大宽板裂纹进入快速扩展阶段,裂纹扩展ΔK~da/dN曲线发生明显转折,不能用Paris公式拟合.在裂纹扩展后期,Δδ~da/dN曲线在双对数坐标下呈线性关系,可用Δδ~da/dN关系曲线来表征弹塑性状态下铝合金的裂纹扩展速率.     

高强度铝合金小裂纹疲劳扩展特性

讨论面心立方多晶铝合金的表面局部塑性变形特点以及由此造成的表面小裂纹疲劳扩展特性，理论表明：当小裂纹位于试样表面时，周围环境对表层晶粒所施加的约束作用要小于对内部晶粒的约束作用。于是裂纹扩展速率会有异于线弹性断裂力学描述的规律。     

TC6钛合金的微动疲劳特性研究

钛及铁合金广泛用于燃气涡轮发动机及飞机结构。尽管这类合金在性能上有诸多优点,但其疲劳寿命对材料表面状态,特别是微动损伤极为敏感。为深入认识这一现象的成因,本文研究了TC6钛合金在室温下的微动疲劳特性。试验结果表明,和非微动疲劳相比,微动疲劳强度下降60％,这主要归因于接触面磨损造成的微动损伤,促使疲劳裂纹萌生和早期断裂。     

钛合金焊接件疲劳特性评估的当量Kt法

针对先进飞机结构广泛采用的钛合金焊接结构,提出了描述焊接件疲劳特性的当量理论应力集中系数Kt(K_te)的概念;建立了以钛合金材料疲劳性能为基础,通过一组谱载下钛合金焊接件疲劳试验来确定K_te的技术途径.以TC4钛合金氧弧焊试件为例给出了确定K_te的具体方法和结果.     

航空铝试块疲劳裂纹相控阵超声成像检测

表面疲劳裂纹扩展可导致结构失效,利用相控阵超声成像技术监测疲劳裂纹,获取结构完整性评价所需裂纹信息,可及时对结构失效提出安全预警。采用三点弯曲疲劳试验法在航空铝试块上生长疲劳裂纹,对裂纹开口面材料进行逐步切削来获得不同长度的疲劳裂纹,利用相控阵超声全矩阵采集(FMC)和全聚焦方法(TFM)获得的裂纹尖端和开口图像信息来监测裂纹扩展和测量裂纹长度,并测试了相控阵超声探头放置位置、裂纹张开/闭合、裂纹表面粗糙度对超声成像检测效果的影响。研究结果表明:相控阵超声探头从裂纹侧面入射检测能更好地对裂纹进行超声成像,并真实反映材料内部裂纹扩展前缘形貌。当疲劳裂纹长度大于3倍超声波长时,裂纹尖端和开口图像完全分离,相控阵超声全矩阵采集和全聚焦成像技术可有效测量裂纹长度,测量误差小于0.2 mm。相比裂纹张开时,疲劳裂纹闭合效应会使裂纹尖端超声图像信号减弱4.5 dB,长度测量值小0.6 mm。      

基于损伤力学的含预腐蚀损伤铝合金的疲劳寿命预测

在工程结构中,腐蚀疲劳破坏是一种常见的现象,腐蚀坑处往往形成疲劳源,严重影响材料的疲劳特性。基于连续损伤力学理论,提出了含预腐蚀损伤铝合金疲劳寿命预测方法。首先,将腐蚀的影响分为2个方面,即腐蚀造成局部初始损伤和腐蚀形成的蚀坑造成局部应力集中;其次,建立了考虑预腐蚀损伤的疲劳损伤演化方程,并实现了相应的数值解法;然后,根据预腐蚀疲劳试验结果与数值计算结果,得到预腐蚀引起的材料初始损伤;最后,采用数值解法,对含预腐蚀坑的铝合金进行了寿命预估,并与试验结果进行对比,验证了所提方法的有效性。      

胶铆混合修补铝合金板的疲劳性能研究

针对胶铆混合连接方式单面修补铝合金板的疲劳性能,设计了未修理、铆接修理、胶接修理和胶铆修理4种不同形式的试验件,对其进行了疲劳试验。建立了试验件的有限元模型,得到了结构应力分布,获得了裂纹长度-裂纹尖端应力强度因子（SIF）曲线,并与试验结果进行了对比。结果表明:胶接修理和胶铆修理能有效降低裂纹处应力水平及裂纹扩展速率,且相对于未修理试验件疲劳寿命分别提升184.3%和197.3%;胶铆修理中铆钉能抑制胶层脱黏,相比胶接修理方式修理质量更可靠有效;有限元分析（FEA）结果与试验数据吻合良好,SIF误差基本保持在8%以内。      

高强钛合金中的微动损伤与疲劳

本文对高强钛合金Ti-10V-2Fe-3Al在不同温度下的微动损伤和疲劳特性进行了研究。试验结果表明,该合金对微动损伤十分敏感,常温疲劳强度下降达50％。微动损伤的主要机制是疲劳脱层,这是由作用在材料次表层的交变切应力引起的,它将导致疲劳裂纹的萌生和早期断裂。疲劳裂纹的扩展方向可根据接触应力分析得到解释。在较高试验温度下,由于接触面形成的氧化层的保护作用,微动损伤程度减弱。