基于小裂纹的2024-T3铝合金中心孔试样疲劳寿命预测

对2024-T3铝合金板材中心孔试样进行了疲劳裂纹扩展行为及寿命预测的理论和试验研究.采用疲劳条带与显微镜观测相结合的办法获得试样在块谱作用下孔边自然萌生裂纹扩展的α-N数据,并通过对断口的SEM观察获取试样的初始缺陷形状.利用基于裂纹闭合的小裂纹扩展分析程序FASTRAN3.9对试样α-N数据进行反推,建立了描述孔边裂纹细节原始疲劳质量的当量初始缺陷尺寸(EIFS)分布.以该分布为基础,采用FASTRAN3.9对试样进行了恒幅载荷下试样的中值疲劳S-N曲线的预测,预测结果与试验验证结果吻合较好.     

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。     

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纹萌生及扩展的先后顺序,划分裂纹扩展重要因素等级。结果表明：含有初始孔洞及夹杂的疲劳接头裂纹萌生于孔洞及夹杂所在位置,初始夹杂接头试样裂纹均以“绕过”方式扩展,初始孔洞接头试样裂纹均以“横穿”方式扩展,孔洞及夹杂的位置特征对裂纹萌生位置及扩展方式影响较小,裂纹萌生、扩展及试样断裂的时间随着孔洞及夹杂尺寸的增大而提前。接头的残余拉应力加速裂纹的萌生及扩展,裂纹的萌生及扩展时间与拉应力呈正相关。     

涡轮叶片小尺寸试样取样及高温疲劳试验夹持方法

针对服役涡轮叶片的疲劳性能及寿命评估问题,发展了一种适用于含薄壁和内冷通道等复杂结构特征涡轮叶片的小尺 寸试样取样技术及小试样的高温疲劳试验夹持方法。应用该方法对不同大修间隔的某型航空发动机第1级高压转子涡轮叶片进 行了取样,对叶片取样小尺寸试样在850 ℃下开展疲劳试验。试验结果表明：所发展的复杂构型涡轮叶片取样技术和小尺寸试样 高温疲劳夹持方法能够有效应用于该型服役发动机高压涡轮叶片的取样疲劳性能试验;真实服役的涡轮叶片小试样的疲劳性能 与标准热处理状态合金的相比出现了劣化,并且随着服役时间的延长劣化程度加剧,寿命降缩短例最大超过90%;服役涡轮叶片 取样小试样的疲劳裂纹主要萌生于表面和亚表面的缺陷,共晶组织和碳化物是服役涡轮叶片裂纹萌生的危险位置。     

Cr4M04V钢表面预制缺陷对滚动接触疲劳性能的影响

用推力片实验研究了表面预制缺陷对Cr4Mo4V高温轴承钢滚动接触疲劳性能的影响。应用洛氏硬度计和维氏硬度计预制不同形状、不同大小的表面缺陷,通过扫描电镜记录滚动疲劳裂纹的萌生、发展乃至试样失效的全过程。结果表明,表面预制缺陷对Cr4Mo4V钢滚动接触疲劳性能有很大的影响。不同形状的预制缺陷对疲劳性能有不同的影响,且疲劳性能有明显的缺陷尺寸效应。     

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。     

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。     

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.      

飞机典型结构（紧固孔）原始疲劳质量研究

 本文介绍了一个定量地确定飞机结构细节（紧固孔）的原始疲劳质量的工程方法。用“当量初始缺陷尺寸分布”表征在一个或多个结构细节中真实初始缺陷的当量影响。用“使用裂纹扩展控制曲线”描述这一分布的扩展规律。用“裂纹超出量概率”定量地确定细节疲劳开裂的损伤度。这一工程方法原则上也适用于其它的结构细节,如几何不连续处、圆角及耳片等。本文编制了参数优化的计算机程序,并进行了大量试验研究,计算结果证实了这一工程方法的适用性、     

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.      

考虑尺寸效应的轮盘应力疲劳概率寿命分析方法

针对基于应变寿命模型的体方法对中、长寿命轮盘及模拟件寿命预测精度不准的缺陷,提出了考虑尺寸效应基于应力寿命模型的体方法,将最大应力比作为寿命可靠性计算的一个参数.对轮盘模拟试件进行了考虑尺寸效应的疲劳寿命可靠性分析,计算概率寿命与试验中值寿命相差14％,吻合良好.而传统的应变寿命点方法中值寿命预计结果误差达15倍之多.表明考虑尺寸效应的应力寿命体方法可以用来预估中、长寿命轮盘及模拟件的概率寿命.      

考虑应力梯度的轮盘疲劳寿命预测

考虑应力梯度和尺寸效应对寿命的影响,通过引入应力梯度影响因子,将缺口试件与光滑试件的疲劳寿命相关联,建立了基于Walker平均应力修正的缺口试件寿命预测模型,进而结合三维弹性有限元分析对发动机涡轮盘进行了寿命预测.结果表明:所发展的寿命模型能较好地反映影响疲劳寿命的多种因素,尤其是应力集中对试件疲劳寿命的影响,综合考虑平均应力、应力梯度和尺寸效应的轮盘寿命预测结果更接近试验值,对GH901标准试件和轮盘的疲劳寿命预测结果都在2倍分散带以内.      

主副梁式机翼结构破坏危险性分析

 本文在综合考虑裂纹检出概率、检查间隔、初始裂纹尺寸分布,裂纹扩展、剩余强度分布等因素的条件下,提出了基于概率断裂力学原理的主副梁式机翼结构的破坏危险性分析方法。并以某型飞机机翼为例,进行了数值计算。结果表明:副梁疲劳寿命对主梁的破坏危险性有显著影响。     

考虑尺寸效应的缺口疲劳寿命预测方法

利用试样缺口根部归一化应力的分布规律，在考虑应力梯度的缺口疲劳寿命预测方法的基础上，着重考虑尺寸效应对缺口疲劳寿命的影响，构建了综合考虑平均应力、应力梯度和尺寸效应的缺口疲劳寿命预测方法.利用已有的TC4合金缺口疲劳试验数据对所发展的方法进行了验证，并与常用的几种局部应力应变法的寿命预测结果进行了对比分析.结果表明:所对比的几种局部应力应变法的寿命预测结果过于保守，而所发展的缺口疲劳寿命预测方法的预测结果几乎全在3倍分散带以内，且大多数预测结果在2倍分散带以内.      

制孔工艺对紧固孔疲劳性能的影响

分别在传统制孔工艺和Winslow制孔工艺下,对7050T7351铝合金材料的双犬骨连接件疲劳试验结果进行对比与可靠性分析;基于当量初始裂纹（EIFS）理论和符合性判据,计算不同制孔工艺下的原始疲劳质量;采用体视显微镜和扫描电镜对疲劳断口进行分析;对Winslow制孔工艺强化机理进行了定性的探讨。研究表明：改进工艺后,紧固孔的疲劳寿命均有所提高,分散性降低,疲劳强度增加;紧固孔的当量初始裂纹小于0．125mm,符合抗疲劳耐久性设计的要求;裂纹形核的位置不变,裂纹扩展区疲劳条带变窄。     

基于疲劳热响应的高强钢疲劳剩余寿命预测

为了在不破坏材料的情况下估算服役结构材料的使用寿命,尤其是估算承受过未知周次循环载荷（已受损）的材料剩余疲劳寿命,提出一种预测高强钢试件剩余疲劳寿命的方法。以300M钢为研究对象,在不同的循环应力水平下进行疲劳试验,所有的试验过程使用红外成像仪对试件进行全程温度监控,记录了试件在不同损伤阶段的受激温升斜率以构造包含金属疲劳热响应和疲劳寿命对应关系的“参考斜率曲面系”,并以此为依据估算剩余疲劳寿命。试验结果表明受激温升斜率与疲劳损伤状况,即试件的累计受载周次存在明显的线性关系。经试验验证,发现剩余寿命预测的误差不超过5%,说明该线性关系可作为估算剩余疲劳寿命的指标。     

考虑应力梯度的缺口疲劳寿命预测方法

基于试样缺口根部区域应力分布规律,综合考虑了平均应力、应力梯度及尺寸效应的影响,发展了一种考虑梯度影响的缺口疲劳寿命预测方法.以TC4合金材料含两种形式缺口的试样为例,计算得到了缺口应力梯度影响因子和尺寸效应影响因子,并进行了疲劳寿命预测.寿命预测结果表明:引入缺口局部平均应力、应力梯度影响因子和尺寸效应影响因子可以较为全面地考虑缺口对试样疲劳寿命的影响,基于所发展的缺口疲劳寿命预测方法给出的TC4合金缺口试样疲劳寿命预测结果在2倍分散带以内.      

随机谱下裂纹扩展统计模型

结合断裂力学及概率随机过程理论,应用概率断裂力学方法研究随机谱下裂纹扩展的随机性。提出一种裂纹扩展统计模型预测裂纹随机扩展的统计分布特性。预测结果与大子样随机谱下裂纹扩展试验结果吻合良好。