Al-Li合金搅拌摩擦焊搭接接头的疲劳性能

通过疲劳寿命试验、疲劳断口和金相组织分析,研究了Al-Li合金搅拌摩擦焊搭接接头的疲劳性能,分析了接头前进侧热机影响区(TMAZ,Thermal-Mechanically Affected Zone)出现的“钩状缺陷”对其疲劳性能的影响.结果表明,钩状缺陷容易引起裂纹萌生及扩展,减小接头的有效承载板厚,适当缩短搅拌针长度可以改善钩状缺陷,提高接头力学性能.母材与搭接接头的疲劳S-N曲线研究表明:在高疲劳应力下,接头的疲劳寿命接近母材,但随着疲劳应力水平降低,接头的疲劳寿命急剧下降,200万循环周次下的疲劳强度仅达到80 MPa,为母材的35％.     

Al-Li合金搅拌摩擦焊搭接接头的疲劳性能

通过疲劳寿命试验、疲劳断口和金相组织分析,研究了Al-Li合金搅拌摩擦焊搭接接头的疲劳性能,分析了接头前进侧热机影响区(TMAZ, Thermal-Mechanically Affected Zone)出现的"钩状缺陷"对其疲劳性能的影响.结果表明,钩状缺陷容易引起裂纹萌生及扩展,减小接头的有效承载板厚,适当缩短搅拌针长度可以改善钩状缺陷,提高接头力学性能.母材与搭接接头的疲劳S-N曲线研究表明:在高疲劳应力下,接头的疲劳寿命接近母材,但随着疲劳应力水平降低,接头的疲劳寿命急剧下降,200万循环周次下的疲劳强度仅达到80 MPa,为母材的35%.     

S06钢疲劳性能及其概率特性

采用高频疲劳试验方法对新型高强度沉淀硬化马氏体不锈钢S06钢中长寿命疲劳性能进行了测量,结果发现:随着应力水平降低,疲劳裂纹趋向于从试样内部萌生,裂纹内部萌生的试样寿命高于表面萌生的试样寿命,二者分散性很大.为了对S06钢长寿命疲劳数据概率特性进行正确的评估,主要对内部萌生机制下的数据进行了研究:利用定时截尾数据的极大似然估计方法和定时截尾数据的柯尔莫哥洛夫检验方法对长寿命区一定应力水平下的疲劳寿命概率分布情况进行了研究,结果表明疲劳寿命服从对数正态分布;采用考虑越出数据的极大似然方法对S06钢应力寿命数据进行拟合,建立了P-S-N曲线模型;利用P-S-N曲线对S06钢长寿命区疲劳强度概率分布进行了讨论.     

超声振动载荷下S06钢的长寿命疲劳性能

采用超声疲劳试验方法对新型沉淀硬化马氏体不锈钢S06钢在106~109周次范围的疲劳性能进行测定,结果表明:S06钢在循环周次大于107周次的范围仍然发生疲劳断裂,在106~109之间,应力寿命曲线持续下降,不存在疲劳极限,用107周次的条件疲劳极限来对S06钢长寿命构件进行无限寿命设计是不安全的.用载荷类型相同并且试样尺寸相近的高频疲劳试验方法对S06钢104~107周次的疲劳性能进行测定,将数据与超声疲劳试验结果进行对比发现:超声疲劳试验方法获得的S06钢的疲劳强度更高.用两种加载频率下106~107周次左右的试验数据拟合得到中值应力寿命曲线,根据应力寿命关系式中的疲劳强度系数的比值来对超声疲劳试验数据进行修正.在考虑了裂纹萌生机制和进行了频率影响修正的情况下,用线性异方差回归方法将超声疲劳试验数据拟合得到S06钢的长寿命P-S-N曲线,为长寿命构件的疲劳设计提供了基础.     

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。      

00Cr18Ni10N奥氏体不锈钢焊接接头应力腐蚀特性

采用恒载荷应力腐蚀实验方法和表面显微分析方法研究了3.5% NaCl水溶液中00Cr18Ni10N奥氏体不锈钢母材及焊接接头的应力腐蚀开裂行为.通过应力腐蚀120 h后剩余强度的损失量分析来比较00Cr18Ni10N母材及其焊接接头的应力腐蚀性能,并利用金相显微镜和扫描电镜研究了00Cr18Ni10N钢焊缝区、热影响区与母材的显微组织差别和应力腐蚀开裂断口形貌.结果表明,焊接接头的应力腐蚀断裂位置均位于焊缝区,在较高应力水平90%σ_0.2下00Cr18Ni10N母材的强度损失较焊接接头低13.02%,母材的抗应力腐蚀性能优于焊接接头.断口形貌分析表明,00Cr18Ni10N母材和焊接接头在应力和腐蚀介质的共同作用下发生断裂,断口显现出沿晶断裂和韧窝断裂的形貌特征.     

燕尾榫连接结构微动疲劳全寿命预测方法

微动损伤使航空发动机榫连接结构疲劳寿命显著降低。以钛合金Ti-6Al-4V燕尾榫连接结构为例，提出一种适用于复杂结构微动疲劳全寿命预测方法。基于修正的Manson-McKnight方法和多轴疲劳理论，疲劳损伤参数由等效应力参数（ESP）表征，微动疲劳裂纹萌生位置和成核寿命通过有限元分析（FEA）和ESP预测。基于断裂力学理论和最大周向应力准则，提出微动疲劳裂纹扩展数值模拟方法，建立微动疲劳扩展寿命与裂纹长度函数关系，依据裂纹终值长度预测微动疲劳扩展寿命。结果显示:钛合金Ti-6Al-4V燕尾榫连接结构微动疲劳裂纹扩展角预测值与实验值均为18°，裂纹生长方向预测值与实验值相符；微动疲劳全寿命（成核寿命+扩展寿命）预测值在实验值的2倍分散带内；最大拉伸载荷对榫连接结构的微动疲劳全寿命影响显著，在相同应力比下，最大拉伸载荷从18 kN变化到24 kN，钛合金Ti-6Al-4V燕尾榫连接结构微动疲劳全寿命降低1个数量级。      

模拟海洋环境中两种结构钢焊接接头腐蚀特性

采用周浸实验模拟海水周期浸润环境,中性盐雾实验模拟海洋大气环境,加以恒载荷拉伸应力条件研究了10CrNi3MoV和12MnSiNiCrMo两种结构钢焊接接头的腐蚀特性,并测试分析了其焊接接头各处的动电位极化曲线.通过金相分析研究了两种钢焊缝区、热影响区与母材的显微组织差别.结果表明:两种钢的焊缝区较母材更易发生腐蚀,应力腐蚀断裂位置均位于焊缝区,且焊缝区腐蚀电流密度最大,母材最小;10CrNi3MoV钢焊接接头的耐蚀性能要好于12MnSiNiCrMo钢,在较低和较高应力水平下10CrNi3MoV钢焊接接头的耐应力腐蚀性能也优于12MnSiNiCrMo钢,同时12MnSiNiCrMo钢各区腐蚀电流密度都远大于10CrNi3MoV钢.焊接后不同区域金相组织的差别是造成上述现象的原因,母材区适量的针状铁素体能够保持其强韧性和耐蚀性,焊缝区过量的铁素体则导致其耐蚀性和耐应力腐蚀性能降低.     

载荷作用下5A06铝合金焊接试样的腐蚀敏感性

针对5A06铝合金焊接对腐蚀敏感性的影响,研究了载荷作用下的不同焊缝方向（垂直、穿越）的5A06铝合金试样在50℃的3.5% NaCl溶液中的腐蚀行为的影响和焊接接头的电化学腐蚀行为。结果表明,经过110 d的盐水溶液浸泡后,2种焊缝试样均是热影响区首先发生腐蚀,表面的腐蚀坑两侧由于材料组织的不同分别呈台阶式和韧窝状。穿越焊缝试样应力腐蚀敏感性较低,腐蚀坑顶端应力集中,有滑移台阶;垂直焊缝试样应力腐蚀敏感性较高,腐蚀坑沿焊缝贯穿试样表面,腐蚀坑两侧呈平行撕裂状态。电化学极化曲线表明,热影响区、母材区和焊缝区的自腐蚀电位分别为-1.369、-0.791和-0.740 V。      

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。     

航空铝合金系列材料裂纹扩展性能的温度效应

高低温裂纹扩展性能是航空金属结构损伤容限设计的前提,为此,试验测定了3种系列的6种航空铝合金材料(2024-T351、2397-T8、6061-T651、7050-T7451、7050-T7452和7475-T761)在5种温度环境(-70、-54、25、125和150℃)下的裂纹扩展性能,观测了试验现象,并进行了性能对比分析和疲劳断口扫描电子显微镜(SEM)分析,研究了温度对航空铝合金材料裂纹扩展性能的影响机制,获得了具有工程参考价值的结果与结论:与25℃相比,低温下裂纹扩展阻力系数的对数值降低7%~15%,而高温下却增大5%~23%;低温下裂纹扩展指数增大7%~21%,而高温下却减少5%~34%;氢脆效应和高温氧化作用是导致裂纹扩展速率随温度升高而加快的主要原因。     

双剪连接件及双耳连接耳片疲劳寿命估算的逐次累计求和算法

为了研究复杂连接件疲劳失效机理和估算其裂纹形成和扩展寿命,在双剪连接件和双耳连接耳片疲劳试验的基础上,首先,通过扫描电子显微镜（SEM）分析,研究了其破坏模式和机理,并利用断口定量反推技术判读了疲劳裂纹形成与扩展寿命。然后,根据应力严重系数法,建立了复杂连接件疲劳性能S-N-L（疲劳应力-寿命-应力严重系数）曲面;利用该曲面,发展了复杂连接件疲劳裂纹形成寿命估算算法;基于断裂力学理论,推导出裂纹扩展长度与扩展角度公式,建立了疲劳裂纹扩展寿命估算的累计求和算法。最后,运用寿命估算方法,估算了双剪连接件的疲劳裂纹形成寿命、双剪连接件和双耳连接耳片的裂纹扩展寿命,预测结果与断口判读结果吻合良好。本文寿命估算方法为复杂连接件疲劳定寿提供了理论依据。      

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。     

基于涂层传感器的金属结构疲劳裂纹监测

针对飞机金属结构在服役过程中的裂纹扩展实时监测需求,提出一种现代表面技术与电位法原理相结合的疲劳裂纹监测研究方案.在结构易出现裂纹的热点部位制备了一种具有绝缘隔离层、导电传感层和封装保护层3层结构的裂纹监测涂层传感器.然后进行了疲劳裂纹监测试验,结果表明:通过分析涂层传感器电阻(电位)的变化可以实现对2A12-T4铝合金连接结构多个部位的裂纹同时进行有效监测.此外,还对表面制备涂层传感器的试样与原始试样的疲劳特性进行了对比研究.结果表明:应用现代表面技术在2A12-T4铝合金表面制备涂层传感器,对其疲劳性影响甚微.     

航空重载面齿轮三维裂纹分析与疲劳寿命预测

针对应用于航空重载传动的面齿轮寿命难以预测,分析其裂纹萌生和扩展过程以及相应的寿命.根据材料应变-寿命关系,利用MSC.Fatigue进行裂纹萌生仿真,分析不同负载扭矩、表面粗糙度、表面处理工艺下裂纹萌生寿命的变化规律;根据线性断裂力学理论,借助于Franc3D模拟裂纹扩展过程,直至满足断裂准则,由应力强度因子历程确定裂纹扩展寿命.最终获得面齿轮在不同表面粗糙度、表面处理工艺下的疲劳寿命曲线,实现面齿轮疲劳寿命的预测.      

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.     

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。