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。     

疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth的测定

本文在赋予疲劳裂纹扩展门槛值⊿K_(th)以严格的定义并简述其工程应用价值之后,详细介绍了测定⊿K_(th)的连续降K(降载)法和两种分级降载法的详细程序与数据处理方法,并由高强度合金钢GC—4的CT试样所测⊿K_(th)试验结果验证了两种分级降载法的可靠性和一致性。本文是制订航标“疲劳裂纹扩展速率标准试验方法”附录Ⅲ“疲劳裂纹扩展门槛值⊿K_(th)试验方法”[1]的主要依据之一。     

用双边切缝试样的高温蠕变裂纹扩展分析

对双边切缝试样切缝根部萌生裂纹进行了有效SIF分析,并用于1Cr18Ni9Ti不锈钢板材的高温蠕变裂纹扩展试验,在所试验的温度T(570～650℃)和应力σ(15.3～16.9kg/mm~2)范围内,试验数据表明:稳态蠕变裂纹扩展是一个热激活过程,相应的综合参量S=S(T,σ,K_(1eff))有效地控制了稳态蠕变裂纹扩展率da/dt。     

湿热对单向复合材料层板断裂韧性及疲劳裂纹扩展的影响

就湿热(70℃,相对湿度RH100％)环境对T300/914C石墨/环氧单向复合材料层板层间断裂韧性的影响进行了研究。用扫描电镜对断口形貌进行观察,不论是湿热处理的或是室温放置和经干燥处理的,断口形貌无明显差异。我们还对上述DCB试样在交变载荷作用下裂纹的扩展行为进行了研究。找出了裂纹扩展速率da/dN与最大循环应变能释放率G_(Imax)关系式da/dN=A·G_(Imax)~B中的A和B两个常数的数值。经湿热处理的DCB试样疲劳裂纹扩展速率与干燥试样相比有所降低。我们分别用断口形貌、断裂机理和断裂力学原理分析了湿热环境对复合材料性能的影响。     

三维裂纹混合型应力强度因子的测定

测定三维体内部裂纹前沿应力强度因子的分布，可搞清裂纹扩展规律，进行飞机结构的损伤容限设计，将反射焦散线法与应力冻结、解冻技术相结合，使焦散线法能够用于测量三维体裂纹尖端应力强度因子的分布，并综合使用光弹法和焦散线法和三维体裂纹混合型应力强度因子进行实验测定及分离。     

复杂应力状态下多晶体亚微观强度

本文提出了有关多晶体材料的晶粒中应变分布的试验和计算的方法。为此目的,专门设计了微观复杂应力试验机。试件有两种:光滑及有预制裂纹的铝合金(LY12)薄壁筒。在各种不同载荷条件下得出了多晶体的晶粒中的主应变曲线。本文还提出多晶体屈服准则。裂纹前端的应变分布证明用dε/dN标定ΔK_(th)要比用da/dN更准确。 由本文可得出另一有意义的结论:既使在一维加载情况下,晶粒中也有二维应变状态。这一事实对于裂纹的生成、扩展和多晶体强度的进一步研究都是重要的。     

高强度铝合金中氢传输的研究

采用化学镀镍层作为铝合金LC4上防护层,应用电化学氢渗透技术研究了氢在LC4中的静态传输规律以及在不同热处理状态下,氢在LC4中的传输对其应力腐蚀敏感性的影响。实验结果表明:常温下氢在LC4中的静态传输是以扩散为控制步骤的过程。氢扩散系数为10~(-9)cm~2·s~(-1)数量级,为同条件下氢在纯铝中扩散系数的四分之一;LC4材料的DCB试样在常温下的3.5％NaCl溶液中的应力腐蚀断裂不遵循氢脆机理。     

304不锈钢的应力腐蚀断裂

用慢应变速率技术研究了敏化的304不锈钢在氧饱和的NaCl溶液中的应力腐蚀断裂(SCC)行为以及浓度、温度和电位的影响。结果表明,在90℃1000ppmNaCl溶液中,在5.5×10~(-6)s~(-1)应变速率下,电位大于-0.5V(相对于SCE,下同)有应力腐蚀敏感性。随着应变速率提高、浓度减小或温度降低,断裂电位范围移向较正的电位(-0.2V以上)。在较慢的应变速率下,在-0.5～-0.2V产生单裂纹;高于-0.2V对于所用的两种应变速率都产生多裂纹;低于-0.6V未发现裂纹。该体系的自腐蚀电位在-0.25V附近,处于SCC敏感区。恒电位下动态应变试验中电流增量与平均裂纹速度在双对数座标上呈正比关系,表明该体系的沿晶SCC本质上受溶解控制。     

近门槛区疲劳裂纹扩展规律的研究

本文检验了定义ΔK_(th)为da/dN=10~(-7)mm/次所对应的ΔK值的工程适用性,提出用二次曲线拟合[Ig(da/dN),IgΔK]数据可以得到更准确的ΔK_(th)值。在此基础上研究了两种近门槛区疲劳裂纹扩展速率公式[da/dN=c(ΔK-ΔK_(th))~n和da/dN=c(ΔK~n-ΔK_(th)~n)]的适用性以及确定c、n值的方法,给出了平均da/dN—ΔK曲线和p—da/dN—ΔK曲线的表达式。     

延性断裂韧度试验的可靠性分析

本文在平面应变断裂韧度K_(Ic)分布特性和延性断裂韧度J_(1c)与K_(Ic)之间函数关系的基础上,证明随机变量IgJ_(1c)基本遵循正态分布。然后应用统计学中的线性回归理论对J_(1c)试验进行了如下可靠性分析:J_(1c)母体均值的区间估计;试验所得J_(1c)值的统计涵义;具有可靠度的J_(1c)值;不同材料J_(1c)的统计对比;由J_(1c)试验所得的具有可靠度的K_(Ic)值。最后列举了一个实例。     

微小裂纹的发生与扩展

本文对微小表面裂纹的发生与扩展进行了研究。 1.微小裂纹的发生,60％以上发生于晶界。当应力值高时,裂纹扩展穿入晶内,应力值低时,裂纹沿晶界扩展。 2.现有以应力强度因子变程△K作为控制参数的宏观裂纹扩展速率公式,均不适用于微小裂纹(2c=0.02～0.8mm)。本文提出的下列微小裂纹扩展速率公式,与实验结果相当一致。 dc/dN=C_2·σ~n·c式中,C_2和n为材料常数。     

复合材料层合残余应力实验研究

取单向板90°试样用DMA法测出的玻璃化温度T_(?)为应力释放温度,用应变片包埋法测定了玻纤/648环氧复合材料单向试样与对称正交层板的热应变,用经典层板理论处理实验结果,实验值与理论值吻合;结果还表明,一般意义上的复合材料内的层合残余应力与制造过程中复合材料内的残余应力应作区别。     

Al—Li—Cu—Mg—Zr合金的断裂形态和断裂韧性

采用单边缺口三点弯曲试样测定了Al-Li-Cu-Mg-Zr合金的断裂韧性。还测量了拉伸性能和硬度。着重分析了裂纹形态和断口形貌。讨论了裂纹偏斜和分叉对裂纹尖端的屏蔽作用,分别计算了本征的和非本征的断裂韧性值。     

采用Ti/Ag/Ti中间层连接SiC陶瓷的 有限元应力分析

在陶瓷与金属或陶瓷与陶瓷(采用金属中间层)的连接过程中,陶瓷与金属的热膨胀系数等性质存在差异而产生的残余热应力是连接接头强度弱化的主要原因.采用有限元方法对Ti/Ag/Ti作为中间层热压连接SiC陶瓷进行了应力的有限元计算分析,结果表明采用Ti/Ag/Ti结构的金属中间层连接SiC陶瓷时,对接头危害较大的残余应力主要分布在连接件近缝区.靠近试样外表面区域是接头的薄弱区,裂纹易在此处萌生,裂纹的扩展先是沿着一条向陶瓷侧凹入的弧线向陶瓷内切入,而后沿径向扩展.接头实际断裂方式与有限元分析结果相符,表明采用有限元方法对陶瓷连接接头的残余应力进行模拟计算有重要的指导意义.      

用广义扩展有限元计算界面裂纹应力强度因子

广义扩展有限元法(GXFEM)是一种结合广义有限元法和扩展有限元法特点的新的数值模拟方法。给出了分析双材料界面裂纹应力强度因子(SIF)的广义扩展有限元法的基本原理。提出了一种新的双材料界面裂纹尖端富集函数,将裂纹尖端富集函数由12项缩减为6项。双材料界面不连续,在常规有限元法的位移模式中加入基于水平集的富集函数,同时将裂纹单元结点和裂纹尖端单元结点自由度广义化,提高了计算精度。通过与文献结果的比较,表明了提出方法的精确度和可靠度。      

应变能密度—应力矢量准则

本文提出的应变能密度——应力矢量线弹性复合断裂准则,综合考虑了控制裂纹扩展行为的应变能密度和应力矢量两方面的因素,它既适用于二维裂纹问题,也适用于三维裂纹问题。为了说明该准则的应用,文中具体研究了埋藏椭圆盘状裂纹和直前缘穿透裂纹的扩展行为。     

应力腐蚀断裂过程中的裂纹表观形态及断裂机理

通过金相跟踪照相等技术,获得了30CrMnSiNi22A超高强度钢在不同应力腐蚀环境条件下裂纹扩展的一系列动态照片及数据,由此可以看出:(1)该钢的应力腐蚀断裂过程中,氢并非致塑因素,与此相反,它常常引起基体脆化,起到抑制塑性变形的作用;(2)该钢的应力腐蚀断裂行为和机制往往因环境不同而异,即“多因素致裂”的“综合机理”。     

预压应力循环对高强度钢疲劳寿命的影响

从预压应力循环对疲劳寿命影响的角度研究了疲劳损伤效应。预压应力循环造成试样缺口附近的显微硬度增加和位错密度增高,同时导致损伤和增强两方面效应。经历过载系数0.85～1的预压应力循环5×10~4～10~5次以后,缺口试样的弯曲疲劳寿命提高50～60％。当预压应力循环5×10~5次以后,损伤效应占主导地位,疲劳寿命接近或低于未经预压缩循环的试样。当预压应力循环的过载系数为1.2～2.0时,其增强效应降低。     

夹持边界条件下表面裂纹应力强度因子求解

为了进行试验室条件下表面裂纹扩展行为研究,需要进行试验机夹持边界条件下的表面裂纹应力强度因子求解.通过对夹持特点的分析,将其等效为均匀拉伸和弯矩的共同作用,并使得试件端部转角为0°.以自由均匀拉伸和纯弯载荷作用下表面裂纹应力强度因子解的Newman-Raju公式为基础,计算得到了等效模型弹性位能表达式,应用卡氏第一定理求得了弯矩与拉伸载荷的关系,采用叠加原理得到了夹持边界条件下表面裂纹应力强度因子解.为了验证解的适用性,采用Abaqus软件计算得到夹持边界条件下若干典型表面裂纹的应力强度因子数值解,对比表明了提出的应力强度因子解法是足够精确的.随后探讨了裂纹形状、试件长厚比等对夹持边界条件下应力强度因子修正因子的影响规律.     

航空发动机机匣损伤容限评估及剩余寿命预测

使用有限元的方法,建立了某航空发动机机匣安装座处局部模型,计算得到了不同尺寸裂纹的应力强度因子的形状因子Y.基于BS7910评定方法,利用失效评估图(FAD,Failure Assessment Diagram)确定了机匣安装座结构在工作应力下的可接受裂纹尺寸为84.8 mm,结构的剩余强度随裂纹尺寸的增加而显著降低,焊缝较母材具有更低的损伤容限和剩余强度.使用缩小宽度模拟验证件模拟工作状态载荷进行了验证试验,当裂纹尺寸与试样宽度比值较小时,与模拟验证件的评估结果基本吻合.根据Paris公式,构件在工作应力下的剩余寿命为74 238周次.