缺口边疲劳小裂纹扩展特性研究

1.引言 工程构件中缺口根部常是产生小裂纹的部位。Smith,Miller和Hammoucla认为裂纹的萌生和早期扩展是由缺口的塑性应变区控制的,Haddad用J积分变程研究了缺口边小裂纹的扩展,本文用Haddad的J积分近似计算式分析试验结果,表明疲劳小裂纹和大裂纹扩展率可用有效J积分变程表达的公式统一描述。     

喷丸强化7475-T7351铝合金的小裂纹行为和寿命预测

对7475-T7351铝合金进行了喷丸强化和未喷丸(机械加工后抛光)单边缺口拉伸(SENT)试样的小裂纹扩展行为试验研究,利用权函数法(WFM)和叠加原理分析计算了三维表面小裂纹在外加载荷和残余应力场联合作用下的应力强度因子(SIF),并将其加入到基于裂纹闭合的小裂纹扩展分析程序FASTRAN3.9中,采用该程序预测了均布外载荷σmax=160MPa、R=0.06下,喷丸强化和未喷丸SENT试样自然萌生裂纹扩展的a-N曲线。研究发现喷丸强化残余压应力对疲劳小裂纹扩展速率的降低是疲劳寿命延长最主要的原因,采用基于裂纹闭合的小裂纹扩展分析方法能够较好地定量描述喷丸强化的疲劳延寿作用。     

考虑小裂纹特性的裂纹扩展数值分析方法及实验验证

为了对工程断裂关键件进行全面的损伤容限分析,需要发展一种能够考虑小裂纹阶段的疲劳裂纹扩展数值分析方法。在Paris公式的基础上基于镍基粉末高温合金小裂纹扩展行为特点,提出了一种小裂纹加长裂纹阶段的裂纹扩展物理力学过程描述,并以此建立了裂纹扩展速率模型。同时考虑到工程应用,将该模型通过FRANC3D软件的用户子程序,与有限元方法结合,构建了一种可分析实际工程结构例如航空发动机涡轮盘上疲劳裂纹扩展的数值分析方法。针对带初始缺陷的FGH96合金标准试棒进行了裂纹扩展数值分析,并与开展的裂纹扩展寿命实验进行了对比。数值计算结果与实验结果吻合较好,表明该方法能够充分考虑小裂纹阶段的裂纹扩展行为特点,适用于分析工程结构疲劳裂纹扩展的全过程。     

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。     

GH4169合金自然萌生小裂纹扩展行为的试验研究

为了研究镍基GH4169高温合金自然萌生小裂纹的扩展行为,采用单边缺口拉伸(SENT)试样进行了室温下应力比R=0.1,0.5的小裂纹扩展试验。在长裂纹近门槛值区域,观察到明显的小裂纹效应,疲劳小裂纹扩展寿命占全寿命的大部分。利用扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析仪(EDS)对试样断口表面进行微观分析,结果表明,疲劳小裂纹起始于合金中的夹杂(Ti(C,N)或Nb(C,N)),并且倾向于以半圆形向试样内部扩展。试样的断裂模式存在由晶体学小平面断裂向疲劳条带断裂的转变,该断裂模式转变处对应小裂纹扩展速率曲线上裂纹加速扩展前的急速降低点。     

铸造镍基高温合金疲劳裂纹的形成与扩展

 本文对铸造镍基高温合金光滑板试样（经过热等静压处理）疲劳裂纹的形成与扩展进行了研究。扫描电镜观察到裂纹在碳化物、显微疏松及其附近的基体上形成。着重观察了裂纹从20～2000μm长度范围内的扩展行为,以及从微观裂纹到宏观裂纹转变的特征。从裂纹长度和循环次数的关系可以看到小裂纹（<1000μm）的扩展是不连续和不规则的,它表明显微组织（特别是晶界）对裂纹扩展速率有影响。但是,用裂纹的平均扩展速率仍可以描述小裂纹的长大过程,小裂纹的扩展速率至少比长裂纹的扩展速率高一个数量级。     

断裂性能试验及裂纹扩展寿命分析

通过断裂性能试验确定了某型直升机部件金属材料的断裂韧性和裂纹扩展门槛值,采用多元线性回归方法拟合得到裂纹扩展速率方程的材料常数。采用不同的裂纹分析方法进行了损伤容限分析。研究结果表明：对此型直升机部件的金属材料来讲,应力强度因子变程门槛值对应的应力比上截止限取0．7是合理的;低于安全疲劳极限的小载荷对裂纹扩展寿命有较大影响,尤其是按安全疲劳极限截除小载荷对裂纹扩展寿命的影响是非常显著的,当截除标准低于0．8倍的安全疲劳极限时,裂纹扩展寿命的差别不是很显著。     

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...     

弹塑性条件下工程小裂纹疲劳扩展试验研究

 本文对在弹塑性条件下工程小裂纹的疲劳扩展规律进行了分析研究。给出了用△J积分作为在弹塑性条件下疲劳裂纹扩展主要控制参数的表达式。对工程小裂纹在缺口循环塑性区中的扩展规律提出了用修正的△J_(eff)积分描述和分析的表达方法,并与试验结果进行了比较。     

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.      

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。     

孔边三维短裂纹扩展特性研究

 本文对孔边三维短裂纹扩展特性进行试验研究和理论分析。首先用复形法测出板中孔边三维短裂纹在等幅载荷和单峰超载时扩展规律,然后运用弹塑性断裂力学和裂纹闭合理论对短裂纹的扩展作定性分析,用闭合模型计算短裂纹扩展寿命。理论计算与实验结果较吻合。     

三阶段疲劳全寿命估算模型

 本文给出了小裂纹范围的完整定义,并根据此定义提出了“三阶段疲劳全寿命估算模型”,即全寿命由裂纹形成寿命、小裂纹扩展寿命和大裂纹扩展寿命所组成。用此模型估算得到的寿命与实验结果符合很好。     

基于光纤光栅与BP神经网络的孔边裂纹监测研究

含孔金属结构的孔边裂纹监测对于保障飞行安全,增强飞机结构可靠性具有重要意义。为实现对孔边裂纹扩展的监测,进行含有孔边角裂纹的含孔铝合金板疲劳加载试验,得到含孔铝合金板试验件的a-N 曲线以及孔边裂纹扩展过程中光纤光栅应变传感器中心波长偏移量;利用包络分析法、BP 神经网络等损伤识别算法对试验数据进行处理与分析;建立能够以光纤光栅应变传感器中心波长偏移量识别孔边裂纹扩展的监测模型,并通过试验对监测模型进行验证。结果表明：此监测模型可有效识别出孔边角裂纹的扩展与穿透,对孔边角裂纹扩展长度监测的准确度达到了97.2%,未来可应用于全机地面疲劳试验、飞机结构健康监测等多种场景。     

缺口根部小裂纹疲劳扩展特性及闭合效应实验研究

 对LY12CZ铝合金缺口根部疲劳小裂纹闭合特性及扩展行为进行了实验研究。采用光学金相显微镜测量了小裂纹的起裂及扩展。通过测量裂尖后两岸显微硬度压痕随裂纹张开闭合的距离变化,建立了缺口根部角裂纹裂尖附近的裂纹张开位移和载荷的关系,以此确定裂纹的张开应力。根据测得的σ_(op)/σ_(max)及按Newman模型计算的σ_(op)/σ_(max),进行闭合效应修正后算得的小裂纹疲劳扩展速率与实验结果基本符合。在小裂纹的情况下,所得结果与Newman方法所得结果相比,更为接近实际情况。     

一种多部位损伤全寿命分析的工程方法

提出了一种多部位损伤全寿命分析的工程方法,该方法包含3部分内容。对多裂纹萌生问题,通过研究多细节结构中裂纹萌生机理,将裂纹萌生寿命的取值事件转化为3个独立事件的积事件,前者的发生概率等于3个独立事件发生概率的乘积,3个独立事件的发生概率可由单细节结构裂纹萌生寿命的概率分布求得。从而可由单细节结构裂纹萌生寿命概率分布得到多细节结构中依次出现的各条裂纹的萌生寿命的概率分布。对多裂纹扩展问题,先通过有限元方法计算出多裂纹指定长度组合下的应力强度因子,然后引入响应面法,定量地建立了裂纹长度与应力强度因子之间的函数关系,由响应面模型得到多裂纹任意长度组合下的应力强度因子,最后采用循环接循环法进行裂纹扩展分析。对多裂纹结构失效分析,采用亚临界条件判断结构是否失效,认为结构上萌生的首条裂纹与第2条裂纹的位置相邻,裂纹发生首次连通时,结构失效。进行了单细节带孔板与多细节带孔板的裂纹萌生扩展试验,并对多细节带孔板的裂纹萌生扩展寿命和首次裂纹连通寿命进行了预测。预测结果和试验结果吻合良好,表明该方法是有效的。     

冷挤压孔边残余应力场中裂纹的应力强度因子

 本文给出了复杂应力场中圆孔边穿透裂纹问题的权函数解析解和各种基本载荷作用下孔边裂纹的应力强度因子计算公式。并据此计算了冷挤压孔边残余应力场中裂纹的应力强度因子,进而讨论了裂纹在外载荷和残余应力共同作用下疲劳扩展的特点。     

三维短裂纹的单峰超载迟滞效应研究

研究LY12CZ铝合金板材缺口附近短裂纹扩展阶段单峰超载迟滞效应。试验表明,在单峰超载情况下,短裂纹与长裂纹扩展相似,均存在超载迟滞效应。并且短裂纹阶段更敏感。