高温下直流电位法测量裂纹长度的应用

介绍了直流电位法测量疲劳裂纹长度方法的基本原理、实现方法、及所需配置的仪器,并对有关影响因素作了分析.该测量系统主要用于在高温下测量各种材料在恒幅载荷下的疲劳裂纹扩展和门槛值试验中的疲劳裂纹长度,可以提高测量疲劳裂纹长度的自动化水平.     

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。      

图像处理技术在疲劳裂纹长度测量中的应用

研究材料的疲劳断裂特性,对产品结构设计和寿命预估计具有重要意义。试验中常需测量裂纹扩展长度,以确定裂纹长度与循环载荷次数的关系。在多孔铝合金板疲劳试验过程中,采用先进的图像数据采集和处理技术来测定疲劳裂纹的实际长度,拍摄不同循环次数下疲劳裂纹扩展的CCD图像;基于MATLAB软件,采用OTSU算法和形态学方法,把CCD图像转换成二值图并进行细化处理,得到裂纹扩展骨架图;用链码方法计算出裂纹像素长度,最后根据标定系数便可获得裂纹的实际长度。与显微镜测量裂纹方法比较,该方法具有精度高、非接触、可保存裂纹扩展状态等特点。     

基于断口分析的钛合金轮内部缺陷损伤容限

为进行某轮损伤容限设计,开展了裂纹扩展断口分析和仿真分析研究。由断口分析可知:疲劳源为一处内部自然缺陷;依据疲劳辉纹确定了裂纹扩展速率;在裂纹长度为2 mm附近,裂纹扩展速率明显增大,为第一、第二加载阶段转换区域;裂纹稳定扩展区裂纹长度与裂纹扩展速率呈双对数线性关系;应用列表梯度法和Paris公式法反推了第二加载阶段的疲劳寿命,与该阶段实际循环次数的最大误差是163%。裂纹稳定扩展阶段裂纹扩展仿真值与断口反推值吻合;非稳定扩展阶段仿真值与断口反推值的最大误差为-215%;基于以上研究,合理确定了某离心轮内部裂纹表面扩展停机检测周期。该类轮非稳定、失稳扩展阶段寿命占内部裂纹表面扩展阶段寿命的比例达248%~357%,因此准确计算具有重要意义。     

转动微动磨损条件下7075铝合金的局部疲劳行为研究

在新型转动微动磨损试验机上,进行了7075铝合金与GCr15钢球配副在不同角位移幅值下的转动微动磨损实验。在磨痕表面形貌及剖面微观分析的基础上,研究了转动微动磨损的局部疲劳裂纹萌生和扩展行为。结果表明:转动微动磨损条件下疲劳裂纹主要分布于混合区,大量的裂纹向基体内部扩展,混合区材料的失效形式主要表现为裂纹的萌生和扩展,并伴随因疲劳磨损所致的片状剥落;在部分滑移区,疲劳裂纹萌生后平行于表面方向扩展,微动损伤主要表现为材料的轻微剥落;在滑移区,在局部接触疲劳和磨损的竞争过程中,疲劳效应减弱且材料磨损占支配地位。此外,疲劳裂纹的形成与转动微动的中心隆起有密切关系。     

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。      

安—24飞机延寿疲劳试验中裂纹临界长度和扩展寿命的计算

在飞机结构疲劳试验中,正确地给出裂纹的临界长度和扩展寿命是圆满完成疲劳试验,并保证损伤后的飞机能够通过剩余强度试验的关键环节。本文采用能量释放率法计算了安-24飞机延寿疲劳试验中主要裂纹的应力强度因子.并确定了临界长度和扩展寿命。这为适时结束安-24飞机疲劳试验,进行l审j余强度试验提供了理论分析依据,这里所给出的确定裂纹临界长度和扩展寿命的分析方法,对飞机结构疲劳试验和剩余强度试验有较高的参考价值;同时,这种分析方法对服役飞机出现裂纹后正确确定检测周期也具有一定参考价值。     

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。     

主起落架上转轴开裂原因分析

主起落架完成3倍目标寿命疲劳试验后,进行分解检查时发现上转轴的一个孔边缘及孔内壁出现了裂纹,该上转轴共经历了4倍目标寿命疲劳试验,材料为30CrMnSiNi2A超高强度钢。通过外观检查、残余应力测试、断口宏微观观察、能谱分析、金相检验、硬度测试和化学成分分析等方法,对上转轴的开裂原因进行了分析。采用疲劳断口定量分析方法反推上转轴的裂纹萌生寿命,并给出疲劳裂纹扩展速率与裂纹长度之间的关系曲线。结果表明：该上转轴裂纹的性质为高周疲劳开裂,其裂纹萌生于2倍目标寿命+5个加载谱块之前;上转轴开裂原因与轴孔安装过紧进而承受较大载荷谱应力、源区侧表面损伤和残余应力共同作用有关。通过加强装配过程控制、提高表面处理,上转轴已完成安全寿命试验（即7倍目标寿命）。     

1Cr18Ni10Ti不锈钢疲劳性能研究

采用真空感应加电渣重熔冶炼技术生产的1Cr18Ni10Ti不锈钢，其冶金质量和全面性能较以前相比均有很大提高。通过对1Cr18Ni10Ti棒材样品疲劳断口的研究分析表明，材料的疲劳性能与冶金质量、内部组织结构、试件表面完整性有关。改变热处理制度能显著提高材料的疲劳寿命，在其他条件相同的情况下，样品的表面完整性对疲劳寿命有很大影响。在试验过程中发现，疲劳裂纹源多为机加工留在表面的刀痕、划痕。     

300M钢超音速火焰喷涂WC／17Co涂层的疲劳性能

夹杂物尺寸对超高强结构钢的疲劳寿命有明显影响.疲劳断口分析表明,300M超高强钢中的疲劳裂纹源主要由其中的夹杂物所造成.而超音速火焰喷涂WC/17Co处理后300M钢裂纹源全部来自于基体中的夹杂,夹杂组成均为Al2O3.xCaO.ySiO2.分别采用统计极值法和广义Pareto分布对不同质量300M钢中的最大夹杂物进行估计,与实际疲劳断裂的最大夹杂物尺寸进行对比,并对不同质量300M钢的疲劳极限进行估算.HVAF处理使300M钢中次表面的残余压应力增大,对抑制裂纹萌生和扩展有利.试验结果表明,在低载荷下HVAF提高了基体疲劳寿命,而在高载荷下由于压应力作用有限,以及喷砂氧化铝对300M钢表面造成损伤带来负面作用而降低300M钢的疲劳寿命.     

海洋环境与疲劳载荷联合作用下喷丸超高强度钢损伤机制

舰载机起落架结构既要遭受海洋大气、海上盐雾和海浪飞溅等严酷海洋环境的侵蚀作用,又要承受较大的弹射起飞/拦阻着舰载荷,在海洋环境与疲劳载荷联合作用下超高强度钢起落架结构承载能力显著劣化,对使用安全构成严重挑战。针对超高强度钢喷丸和未喷丸两种试验件,基于舰载机服役的海洋环境,开展了腐蚀+疲劳交替试验和预腐蚀疲劳试验研究,得到了疲劳寿命变化规律,通过粗糙度、晶粒度、显微硬度、残余应力和疲劳断口分析,揭示了喷丸对疲劳寿命增强的作用机制、腐蚀+疲劳损伤交替作用机制和预腐蚀疲劳损伤作用机制。结果表明,喷丸强化后疲劳寿命平均增幅为93.1%;对于喷丸试验件,深度约为20 μm的轻微点蚀,导致疲劳寿命衰减幅度达到30%;喷丸强化与腐蚀两者之间存在着此消彼长的竞争机制;腐蚀+疲劳交替作用损伤机制对该型超高强度钢造成的疲劳寿命衰减要比预腐蚀疲劳损伤机制严重得多,加速腐蚀试验时间相同的条件下前者疲劳寿命为后者的47%~54%。     

超高强度钢的喷丸强化

总结了航空常用超高强度钢0Cr13Ni8Mo2Al,30CrMnSiNi2,16Co14Ni10Cr2MoA和40CrNi2Si2MoVA喷丸强化所产生的残余压应力场特征,研究了喷丸所造成的表面粗糙度和表面残余应力等表面完整性变化,初步定性探讨了超高强度钢喷丸强化后表面完整性的改善及其对疲劳性能的影响.结果表明,喷丸可显著提高疲劳寿命和有效提高疲劳极限,而且对某一给定材料而言存在一个最佳的喷丸规范.     

孔挤压强化对两种超高强度钢疲劳裂纹起始与扩展寿命的影响

采用挤压和非挤压的中心孔试样研究了３００Ｍ和３０ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ两种超高强度钢在随机载荷谱加载条件下的疲劳裂纹起始和扩展寿命。试验结果表明,孔冷挤压显著提高两种超高强度钢的疲劳飞行寿命。经ＳＥＭ观察,挤压件的疲劳源产生于孔用处,为单疲劳源;未挤压件的疲劳源大多起始于孔壁表面,为多疲劳源。     

飞机起落架用钢贝氏体组织的屈强比问题

本文根据强度设计规范要求和试验结果,指出飞机起落架用钢在满足屈强比σ_(0.2)/0_h>0.67的条件下,以适当降低该值更为行利。对40CrMnSiMoVA钢的研究证实,σ_(0.2)和σ_(0.2)/σ_h值在循环载荷作用下并非恒值。贝氏体组织较低的σ_(0.2)/σ_h值使其发生循环硬化,从而减轻钢的缺口敏感性并延长其疲劳裂纹形成寿命,同时具有更为明显的超载延寿效果。     

夹杂物特征参数对拉伸载荷下超高强度钢裂纹萌生与扩展的影响

采用扫描电镜原位观测的方法,动态跟踪观察拉伸载荷作用下航空发动机轴类超高强度钢MA250中不同形状和尺寸的TiN夹杂导致裂纹萌生与扩展的微观行为,从微观角度分析拉伸载荷作用下夹杂物的几何长轴与外加载荷方向成不同角度时裂纹的萌生方式.同时讨论TiN夹杂中第一条裂纹萌生所需的应力与夹杂物面积的关系.结果表明,夹杂物面积越大,第一条裂纹萌生所需的应力越小.     

300M钢在门坎值附近疲劳裂纹扩展行为的研究

在实验室空气环境中研究了300M钢等温和油淬状态,五种载荷比下裂纹扩展速率为10~(-7)～10(-3)mm/Cycle的疲劳裂纹扩展行为。着重分析了载荷比和显微结构对门坎值附近裂纹扩展行为的影响。基于在门坎值附近断口表面上所观察到的氧化喾物和沿晶断裂机制,用裂纹闭合和环境效应合理地解释了300M钢在门坎值附近的裂纹扩展特性。     

TC17钛合金超高周弯曲振动疲劳试验

基于航空发动机叶片基本失效形式,开发了悬臂梁式弯曲振动超声疲劳试验系统(激振频率20kHz),设计了能模拟叶片振动、适合于超高周弯曲振动疲劳试验的试件.利用该系统开展了钛合金TC17超高周弯曲振动疲劳试验研究,分析了断口的金相图.结果发现:裂纹萌生有表面和次表面两种模式,并不依赖于内部夹杂和缺陷,没有发现内部裂纹萌生迹象,次表面裂纹扩展也不呈“鱼眼”形貌.与文献所述的“鱼眼”形貌特征不同.      

CFRP超高周疲劳损伤演化过程

碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）在航空航天等领域得到广泛应用，CFRP构件的超高周疲劳问题逐渐凸显出来。本文采用超声三点弯曲疲劳试验系统对CFRP复合材料的损伤演化过程进行研究。结果表明：CFRP复合材料在超高周三点弯曲加载下的S-N曲线呈阶梯状，尤其在10⁸周次后，其疲劳强度明显下降。通过对CFRP复合材料在同一视场不同周次下的损伤过程进行分析，发现该材料在超高周加载下的损伤形貌主要表现为3种特征：纤维束交叉处基体损坏、近纤维束平行段基体空洞、基体贯穿，并随着加载周次的增加，其损伤过程也按照这3种特征依次呈现出来。     

40CrMnSiMoVA钢中准贝氏体组织的疲劳强度和疲劳缺口敏感性

 本文研究了超高强度40CrMnSiMoVA钢中准贝氏体组织和马氏体组织的疲劳强度。与马氏体组织相比,由贝氏体铁素体和残余奥氏体组成的准贝氏体组织,其光滑及缺口疲劳强度均较高。准贝氏体组织虽具有较低的强度,但因其中较多的残余奥氏体,结果并不损害其疲劳强度。由于该组织具有良好的强度、塑性、韧性配合,使其疲劳缺口敏感性较低。拉伸超载同时提高准贝氏体和马氏体组织的缺口疲劳强度。