基于小裂纹理论的航空材料疲劳全寿命预测

综述了基于小裂纹理论的疲劳全寿命预测方法。该方法把断裂力学的ΔK分析与裂纹闭合概念结合起来,应用于自然萌生的小裂纹和长裂纹的扩展,并全部基于对起源于材料初始缺陷的裂纹扩展分析预测疲劳全寿命。这一方法已被作者成功地应用于多种航空材料,包括:4种高强度铝合金、2种高强钢和2种钛合金,载荷类型涉及恒幅、Mini-Twist和直升机旋翼谱等。结果表明,预测的疲劳全寿命与实验结果吻合良好,从而为把基于断裂力学裂纹扩展的损伤容限方法向传统的疲劳领域(S-N曲线,安全寿命)延伸开辟了可行的途径。     

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。     

基于短裂纹的 LD10CZ铝合金腐蚀预疲劳裂纹扩展

腐蚀疲劳是一种由疲劳应力和腐蚀介质共同引起的材料损伤,利用扫描电子显微镜原位观测技术对于预腐蚀LD10CZ铝合金进行了疲劳试验研究,试验结果表明腐蚀损伤强烈影响铝合金的疲劳裂纹扩展行为。     

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。      

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.     

基于数字图像相关的预腐蚀2024-T4铝合金疲劳开裂实验研究

通过三维数字图像相关(3D-DIC)方法研究预腐蚀2024-T4铝合金在三种不同最大应力水平和应力比下的疲劳开裂行为。通过应变场演化直观地显示裂纹萌生和扩展的时空特征,并通过扫描电镜观测关键损伤区域的断裂微观形貌。结果表明:试样边缘的局部腐蚀促进了疲劳裂纹萌生,影响了裂纹的形核位置,并引起材料氢脆现象;疲劳裂纹扩展方向与加载方向呈60°~68°角,表明疲劳裂纹扩展可以用KⅠ/KⅡ混合模式来描述;预腐蚀铝合金疲劳失效存在单裂纹断裂、多裂纹联合、多裂纹竞争和多裂纹平行扩展4种典型的失效模式。     

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.     

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。     

声发射在整体壁板疲劳试验中的应用

进行了飞机结构整体壁板疲劳试验的声发射监控研究。整体壁板试验件选用航空上常用的铝合金材料。试验采用常幅载荷谱,用声发射技术监测疲劳裂纹的萌生。通过对采集的计数、能量、事件以及幅值等声发射信号进行参数分析,预报了疲劳裂纹萌生的时间。结果表明,材料裂纹萌生和扩展时有很明显的声发射现象,声发射技术能够准确预报金属飞机结构疲劳裂纹的萌生和扩展,从而为飞机结构的疲劳和损伤容限设计提供参考。     

非对称载荷下TC17合金超高周疲劳试验

通过试验研究了110Hz和20kHz两种频率正弦式非对称载荷作用下TC17合金材料的疲劳失效行为,结果表明:载荷频率对TC17合金的疲劳强度和疲劳失效机理影响不明显,两种频率载荷作用下TC17合金的疲劳失效均存在表面诱发疲劳失效和内部诱发疲劳失效。表面诱发的疲劳失效主要是由循环载荷作用下试样机械加工缺陷和表面滑移所导致的,内部诱发的疲劳失效主要是由于材料初生α相在非对称循环载荷作用下发生解理断裂而导致的,失效形式的不同使得材料的应力-疲劳寿命（S-N）曲线呈双线性。萌生于TC17合金试样内部的疲劳裂纹可分为3个阶段:初生α相的解理断裂阶段、短裂纹扩展阶段和长裂纹扩展阶段。由裂纹萌生区特征可以确定室温条件下,应力比为0.1时,TC17合金疲劳长裂纹扩展门槛值为3.3MPa·m1/2。      

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。     

基于微观结构的航空铝合金点蚀扩展行为研究

点蚀是航空铝合金材料在服役环境下常见的损伤形式,在疲劳载荷作用下容易形成裂纹,缩短结构的疲劳寿命。为了深入研究点蚀对航空铝合金结构腐蚀疲劳寿命的影响,基于铝合金电化学腐蚀机理和铝合金微观结构,以点蚀蚀坑尺寸为研究参量,对航空铝合金点蚀扩展行为进行建模研究,并将模型计算结果与LY12CZ铝合金点蚀试验结果进行对比分析。结果表明:所构建的铝合金点蚀扩展模型较为合理地反映了铝合金点蚀蚀坑尺寸参数的变化规律。     

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。     

2024-T42铝合金疲劳裂纹扩展曲线的拟合方法研究

 提出了一种疲劳裂纹扩展曲线( a-N 曲线) 的新拟合方法,并采用这种新的拟合方法对2024-T42 铝合金CCT 试样的疲劳裂纹扩展数据进行了拟合分析。通过疲劳裂纹扩展寿命计算结果和试验结果的对比分析,证明这种新的裂纹扩展曲线拟合方法具有较高拟合精度。经过实验和计算分析,还给出了2024-T42 铝合金的疲劳裂纹扩展速率材料常数c 和n 值。     

2524-T3铝合金铆钉填充锪窝孔疲劳特性研究

2524-T3铝合金被认为是目前综合性能最好的飞机蒙皮用铝合金,研究其在疲劳载荷状态下的力学性能对材料的安全使用具有重要的意义。通过疲劳试验研究2524-T3铝合金铆钉填充锪窝孔试样在一种典型应力比、不同载荷水平下的疲劳性能,得到铆钉填充锪窝孔试样疲劳裂纹寿命的p-S-N曲线,同时借助扫描电镜观察疲劳裂纹的萌生和扩展行为。研究结果表明：2524-T3铝合金铆钉填充锪窝孔试样具有良好的抗疲劳损伤性能;在指定疲劳寿命条件为3×106周次下,试样在室温轴向疲劳加载条件下的条件疲劳极限为108MPa;疲劳断口由疲劳源区、裂纹扩展区及瞬断区组成。     

铝合金结构腐蚀疲劳裂纹扩展与剩余强度研究

 在3.5%NaCl腐蚀溶液环境下对含中心孔LY12 CZ铝合金紧固件的疲劳裂纹扩展进行了试验研究，得到3种不同频率下紧固件的腐蚀疲劳裂纹扩展曲线。试验结果说明，随着频率的增加，腐蚀疲劳裂纹扩展速率逐渐降低，腐蚀溶液中疲劳裂纹扩展速率比在空气中大。以试验数据为基础，结合裂纹扩展分析软件AFGROW，提出一种可以用数值方法模拟腐蚀疲劳裂纹扩展的方法，模拟结果和试验结果符合较好。对紧固孔试验件利用2种失效模式进行了剩余强度分析，得到腐蚀环境下紧固孔结构的剩余强度曲线。     

腐蚀条件下LD2航空铝合金裂纹扩展规律研究

 腐蚀损伤会加速飞机结构的疲劳裂纹扩展,缩短飞机疲劳寿命。以LD2航空铝合金材料为研究对象,通过在实验室内模拟飞机服役环境进行加速腐蚀试验,得到不同腐蚀时间下的试验件,并在MTS-810疲劳机上对不同腐蚀时间下的试验件进行疲劳试验,得到不同腐蚀年限下的疲劳断口形貌。通过断口判读分析,得到不同腐蚀年限下的裂纹扩展数据(a,N)。从不同腐蚀时间下的裂纹扩展数据研究分析,得到裂纹长度与循环次数符合指数函数的形式,即裂纹扩展速率与裂纹长度成正比,其斜率依赖于腐蚀损伤与疲劳载荷两个因素,而且在同一应力水平下,其斜率与腐蚀时间呈线性关系,并且其截距与应力水平也呈线性关系。