金属材料疲劳短裂纹扩展研究综述

本文论述了近几十年来国内外关于疲劳短裂纹的一些理论模型和实验现象等;重点研究了短裂纹的"V"型扩展规律及其特有的非扩展裂纹行为;通过各种不同复杂程度的理论模型,说明了短裂纹"V"型扩展规律,并给出了非扩展裂纹的计算方法;通过试验方法,分析了物件的形式、缺口塑性区、微观结构和试验环境等因素对短裂纹的"V"型扩展规律和非扩展裂纹行为的影响。     

选区激光熔化TC4小裂纹扩展特性数值模拟

发展了一种考虑微观组织的选区激光熔化（SLM）钛合金TC4小裂纹扩展数值模拟方法。基于SLM TC4的微观组织观测结果,利用Voronoi算法并通过晶体取向筛选,实现了微观组织建模。在此基础上,采用扩展有限元法建立了SLM TC4材料小裂纹扩展行为模拟方法,探究沉积方向以及晶粒尺寸、晶体取向等微观组织对小裂纹扩展速率的影响规律。结果表明:沉积方向影响材料的裂纹扩展抗力,沉积方向与裂纹扩展方向平行时,材料抵抗疲劳小裂纹扩展的性能相对更好。晶粒尺寸影响小裂纹扩展速率,晶粒尺寸越大,小裂纹扩展速率越快。晶体取向影响速率的波动性,不同晶体取向材料的小裂纹扩展速率上下界有明显差异。      

力学不均匀性对焊接接头疲劳裂纹扩展影响的研究

本文将焊接接头简化为夹层材料裂纹体模型，通过实验及弹塑性有限元方法研究了均匀材料和具有力学不均匀性的夹层材料裂纹体中心裂纹试件中疲劳裂纹的扩展规律。发现疲劳裂纹的扩展不但取决于裂纹尖端处材料的性质，而且还受裂纹尖端附近材料力学不均匀性的严重影响；不均匀体裂纹尖端的塑性区、应力应变场与均匀材料裂纹体显著不同；力学不均匀性对疲劳扩展寿命影响的本质在于力学不均匀性对疲劳裂纹闭合的影响     

多点裂纹起始过程的计算机模拟

在多点裂纹起始的情况下,可以观察到多个微观裂纹的萌生和早期扩展,所以宏观裂纹形成的寿命估算是比较复杂的。本文介绍一种二维计算机模型,模拟一种马氏体钢F82H的多点裂纹起始过程,损伤的累积程度通过单位面积裂纹密度表示,微裂纹萌生循环数通过Tanaka-Mura公式确定。该模型可以模拟材料的微观结构参数(如晶粒尺寸和取向)对裂纹萌生寿命的影响,给出定量的寿命估算表达式。模拟的裂纹密度和循环数的关系与试验结果符合得相当好。     

GC－4高强度钢化学短裂纹特性研究

采用恒ΔＫ法对ＧＣ－４钢在３．５％ＮａＣｌ溶液中化学短裂纹特性进行了试验研究。结果表明：恒ΔＫ时裂纹扩展的ｄａ／ｄＮ－ａ曲线存在临界裂纹尺寸ａ。当ａ＜ａ时,显示化学短裂纹效应。ａ值几乎不受加载频率、应力比和ΔＫ水平的影响;化学短裂纹特征扩展速率与长裂纹扩展速率之比是各种力学参量的弱函数。依据分析给出化学短裂纹扩展速率与裂纹尺寸之间的关系。     

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.      

微观结构对718合金蠕变裂纹扩展行为的影响

本文研究了微观结构对718合金蠕变裂纹扩展行为的影响,对两种不同晶粒尺寸和三种不同碳化物分布的试样在650℃进行蠕变裂纹扩展试验。结果表明晶粒尺寸和碳化物结构显著影响蠕变裂纹扩展速率,蠕变裂纹扩展速率与晶粒尺寸成反比关系。碳化物成排且平行于裂纹试样的蠕变裂纹扩展抗力显著低于碳化物成排且垂直于裂纹的试样,更低于碳化物细小且均匀分布的试样。蠕变裂纹扩展速率与晶粒尺寸的反比关系归因于晶粒尺寸的增大使扩散路径增长,从而导致了微裂纹萌生和长大时间的增加。微观结构对718合金蠕变裂纹扩展行为的影响用蠕变裂纹扩展机理的三阶段模型给予了很好的解释。     

材料因素对金属疲劳裂纹扩展的影响

先进工艺和材料的发展往往突破了经典断裂力学理论中的宏观均匀各向同性材料假设,使得当前主要关注裂尖力学参数,仅以试验数据拟合参数来考虑材料因素影响的金属材料疲劳裂纹扩展分析方法难以适用.本文首先基于课题组近年来在金属材料疲劳裂纹扩展方面的研究,对材料因素导致的特殊疲劳裂纹扩展行为进行介绍,并对其机理进行分析和总结;然后,...     

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。      

多处损伤特性的研究

对老龄飞机结构中存在的多处损伤 ( MSD)进行了研究。从 MSD试件的裂纹扩展实验中得出 :MSD服从净截面屈服破坏准则 ;MSD使剩余强度明显降低,临界裂纹尺寸大大减小,裂纹扩展寿命显著缩短,从而使损伤容限能力减退,破损安全不复存在。试用组合法求解 MSD裂纹的应力强度因子,并将其用于 MSD裂纹的扩展分析,所得裂纹扩展寿命计算结果与实验符合良好     

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。     

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。     

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。     

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。     

LY12CZ板材疲劳损伤及裂纹形成研究

 受交变载荷的构件,其疲劳损伤裂纹形成阶段在全寿命中占有相当大的比例。已有的疲劳损伤分析要求给出明确的应力或应变控制条件。只有光滑构件才能满足该条件,而缺口构件的疲劳损伤经常发生在缺口根部附近,这里的控制条件是难以准确模拟的。因此对缺口构件的疲劳损伤分析须进行细致的实验观测。     

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...     

工程小裂纹扩展规律的试验研究

 1.工程小裂纹的尺寸范围 工程小裂纹的尺寸范围可确定在0.1～1mm之间,这是因为:（1）这一尺寸范围代表了疲劳裂纹形成的早期阶段的范围;（2）实践表明,大多数设计得较好的工程结构能够在其使用寿命期限内容许这样的小裂纹存在而不会影响该结构的安全性或功能性;（3）这一尺寸范围代表了可用连续力学的方法进行解析处理的起始水平;（4）这一尺寸范围通常比现行的服役期间的无损检测方法所能检出的裂纹尺寸要小;（5）这一尺寸范围内的裂纹如果在结构中大量出现,通常就是该结构开始破坏的信号。     

小表面裂纹应力强度因子的权函数解

 三维权函数法应用于平板表面裂纹问题,计算了含小表面裂纹(a/t≤0.2)的平板受远方拉伸及弯曲载荷下的应力强度因子,所提供的解答覆盖了疲劳断裂的研究及工程应用中所关心的小表面裂纹的范围。与文献中的有限元结果进行了广泛的比较,两者之间有极好的一致性。还研究了a/c→0时应力强度因子的极限情况。