应力比和腐蚀环境对超高强度钢AerMet100疲劳裂纹扩展的影响

采用载荷控制与应力强度因子控制两种方法研究超高强度钢AerMet100在不同裂纹扩展速率区域受到应力比和腐蚀环境影响的疲劳裂纹扩展行为。利用扫描电子显微镜(SEM)对断口进行观察。结果表明:疲劳裂纹扩展速率da/dN≤1×10-5mm/cycle时,当应力比R≤0.5,疲劳裂纹扩展门槛值ΔK th随着应力比R增加而减小,当应力比R≥0.5,疲劳裂纹扩展门槛值变化趋于平缓;在da/dN≥1×10-5mm/cycle时,疲劳裂纹扩展速率出现不受应力比影响的收敛现象。在da/dN≥1×10-5mm/cycle时,腐蚀环境会加速疲劳裂纹扩展;在裂纹扩展速率da/dN≤1×10-5mm/cycle时,由于氧化致裂纹尖端闭合效应,腐蚀环境导致裂纹扩展变慢,并使裂纹扩展门槛值增大。     

金属疲劳裂纹初期扩展的特征及其影响因素

本文回顾了各种金属及合金在门坎区附近的疲劳裂纹扩展的机制和特征。 根据一系列试样和结构的微观断口金相分析的结果表明,在近门坎区产生的占主导的断口形态是小平面或河流花样。对于不同金属与合金小平面的方位与晶体点阵结构的相互关系,用滑移型和层错能进行描述。 本文对于板状及缺口试样的疲劳极限和门坎值的相互关系以及短裂纹的疲劳裂纹扩展机制也一起进行了评述,短裂纹的裂纹扩展行为可以一般地表达为: ΔK_th=f（α）Δσ_th（πα）¹/2式中,f（α）为裂纹长度与试样几何形状的函数。 文中回顾了应力比、显微组织、环境对在门坎区附近疲劳裂纹扩展行为的影响,曾提出产生裂纹闭合效应的“氧化物诱发”及“粗糙度诱发”的概念,可以用来解释结构材料中上述因素对在近门坎区疲劳裂纹扩展行为的影响。     

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.     

GC-4高强钢腐蚀疲劳裂纹扩展的研究

本文研究了GC-4高强度钢的腐蚀疲劳裂纹扩展行为。考虑了不同热处理制度、不同环境(实验室空气、3.5%NaCl溶液、蒸馏水)和不同应力比(R=0.1,0.3)的影响。研究表明,300℃等温的疲劳及腐蚀疲劳裂纹扩展性能远优于180℃等温制度,在盐水和蒸馏水环境下裂纹扩展速率明显加快,随着应力比的提高,环境影响加剧。利用扫描电镜对试样断口形貌进行了分析并讨论了腐蚀疲劳机理。     

疲劳裂纹起始扩展门槛值的研究

 1.疲劳裂纹起始扩展门槛值(△K_(th))的概念 人们通常提到的疲劳裂纹扩展门槛值△K_(th)是在裂纹扩展过程中不断下降△K,使裂纹扩展不断减慢,直至停止扩展时所对应的△K值。它由降K程序测定,试验方法见文献。达到△K_(th)时裂纹前缘塑性区很小,在厚度和应力比一定的条件下,△K_(th)是材料常数。然而,在构件承受变幅交变载荷作用时,某级载荷使裂纹尖端产生应力强度因子K_(fmax),对应     

某些因素对30CrMnSiNi2A钢门槛值影响的研究

 本文研究了30CrMnSiNi2A超高强钢的降载方式,应力比、试样厚度及裂纹长度对门槛值及低速疲劳裂纹扩展行为的影响。氧化物诱发的闭合效应与氢脆机制的相互作用导致了高强钢的门槛值与应力比的弱相关性。证实了试样厚度及裂纹长度在所观察的范围内对门槛值及低速扩展无明显的影响。     

疲劳应力变幅的断口反推研究

通过对18Cr2Ni4WA钢在不同应力比和不同载荷下的疲劳裂纹扩展速率试验,拟合得Paris关系式,然后对试验断口进行疲劳条带宽度S(微观裂纹扩展速率)测量,将疲劳条带宽度值代入拟合的Paris关系式中,反推计算断口试样的疲劳应力变幅.结果表明,疲劳条带宽度只在疲劳裂纹扩展的一定阶段与宏观裂纹扩展速率相等,选择该阶段的数据点进行疲劳应力变幅反推计算,相对误差在10%以下;数据点是否位于宏、微观裂纹扩展速率相等的阶段,可由S～yπa双对数座标S形曲线判定,并发现由于裂纹扩展速率的误差传递系数小于0.5,计算结果对裂纹扩展速率测量的相对误差不敏感.     

疲劳裂纹尖端残余应力场的深度-传感压痕测试与有限元分析

 飞机和发动机等重要装备承力结构在服役过程中通常承受变幅疲劳载荷作用。直接测量和分析由于过载塑性变形而导致的裂纹尖端附近残余应力场,对于较好地理解变幅加载下疲劳裂纹扩展行为,从而改善和发展疲劳寿命预测模型具有重要价值。本文基于微细尺度的深度-传感压痕(DSI)残余应力测量技术,研究了材料疲劳裂纹尖端附近残余应力场的实用测试技术,获得了铝合金中心裂纹拉伸试样在恒幅及单峰疲劳过载作用下裂纹尖端附近的残余应力场分布。同时,还采用弹塑性有限元方法模拟分析了相同疲劳载荷下裂纹尖端附近相应的残余应力场分布。相互验证表明:两种方法获得了基本吻合的结果。     

Q-P工艺下超高强度300M钢的单轴拉伸规律研究

将Q-P工艺应用于300M钢,得到300M钢的单轴拉伸曲线,对拉伸各阶段规律进行分析,并采用TEM、SEM和XRD等方法,研究了Q-P工艺对300M钢性能和组织的影响。结果表明:与传统工艺相比,Q-P工艺下超高强度300M钢的强度大幅降低,弹性变形能E e降低,均匀塑性变形能E p和裂纹形成能E e+E p则大幅提高;残余奥氏体含量可提高至15.62%,并以薄膜状存在于板条间或以小块状存在于原奥氏体晶界、板条束界;其相组成为先形成的板条状马氏体+新鲜马氏体+残余奥氏体+ε-碳化物。Q-P工艺明显提高了300M钢抗裂纹形成和扩展的能力,延长了材料的均匀塑形变形阶段,推迟缩颈发生。     

D6AC钢表面裂纹扩展速率测定

D6AC钢是低合金超高强度钢。本文研究了该钢具有表面裂纹时的裂纹扩展速率的行为,给出了条件门槛值及低周下用Paris公式表征的裂纹扩展速率表达式。     

环氧基复合材料的混合模式分层

 采用混合模式弯曲试验研究了Ｔ３００／Ｍ１０和ＨＴＡ／６３７６两种复合材料静态和疲劳加载的分层断裂行为。在不同α／Ｌ比和混合模式比条件下加载,两种材料呈现脆性不稳定或脆性稳定的裂纹扩展。在疲劳加载中,裂纹扩展始终是稳定的。混合模式比对分层韧性、疲劳裂纹扩展速率和疲劳门槛值均有明显影响。     

孔边角裂纹近门槛区疲劳裂纹扩展规律及门槛值研究

 基于三维裂纹特征,本文提出了一种测量孔边角裂纹近门槛区疲劳裂纹扩展速率及门槛值的实验方法。为了得到真实的裂纹形状变化规律,首先针对具体试样用勾线方法建立其“b-a”标定曲线。参照门槛值的标准测试方法,本文仅需测量“a”方向裂纹尺寸,然后用标定曲线换算共相应的“b”方向尺寸。这样我们就可以得到关于“a”和“b”的两组数据,而这两个方向代表孔边角裂纹特征方向。通过分别对30CrMaSiNi2A和2024T3材料的实测研究,证明本文提出的测试方法是可行的。在实验数据基础上,进行了结果的统计对比,得出:1.“a”和“b”方向的近门槛区疲劳裂纹扩展速率及门槛值基本一致;2.孔径大小对实验结果没有影响。;3.同样厚度情况下,孔边角裂纹试样的近门槛区疲劳裂纹扩展速率编高,而门槛值相应较小。     

弯曲载荷下薄壁结构疲劳裂纹扩展性能

对某飞机座舱盖侧型材与锁环连接部位的疲劳裂纹扩展性能进行了研究。该结构区别于常见薄壁结构的特征是承受较大的弯曲载荷,使得利用薄板I型裂纹扩展的常用方法进行寿命分析会产生较大的误差。为了研究弯曲载荷下薄壁结构的疲劳裂纹扩展性能,开展了带孔板和侧型材结构模拟件的疲劳裂纹扩展试验。通过有限元仿真分析,研究了弯曲载荷对裂尖应力强度因子的影响,提出了一种当量应力强度因子变程公式;对本文所涉及的2种类型受弯曲载荷作用的试件,裂纹扩展寿命预测结果与试验吻合较好。研究表明,在相同的名义应力和裂纹长度下,薄板受弯时裂纹应力强度因子、裂纹扩展速率远低于受拉的情况;结构受到弯曲载荷时,锁环对连接部位的应力有显著的抑制作用,可以减缓疲劳裂纹的扩展;此外,合理的结构设计能够增加关键部位受弯时的疲劳裂纹扩展寿命。     

Prediction of fatigue crack growth rate for small-sized CIET specimens based on low cycle fatigue properties

Based on experiments of low cycle fatigue for 5083-H112 aluminum alloy, two energy-based predictive models have been introduced to predict the fatigue crack growth behaviors of traditional Compact Tension (CT) and small-sized C-shaped Inside Edge-notched Tension (CIET) specimens with different thicknesses and load ratios. Different values of the effective stress ratio U are employed in the theoretical fatigue crack growth models to correct the effect of crack closure. Results indicate that the two predictive models show different capacities of predicting the fatigue crack growth behaviors of CIET and CT specimens with different thicknesses and load ratios. The accuracy of predicted results of the two models is strongly affected by the method for determination of the effective stress ratio U. Finally, the energy-based Shi&Cai model with crack closure correction by means of Newman’s method is highly recommended in prediction of fatigue crack growth of CIET specimens via low cycle fatigue properties.     

Influence of Low Load Truncation Level on Crack Growth for Al 2324-T39 and Al 7050-T7451

Tests with middle-crack tension (M(T)) specimens made of Al 2324-T39 and Al 7050-T7451 are conducted to investigate the influence of low load truncation level on fatigue crack growth. The six different truncated spectra are obtained by removing the small cycles of which amplitudes are less than the specified percentages of the maximum amplitude in the basic flight-by-flight loading spectrum and the remainder of the spectrum is untouched. The tests indicate that the mean level of fatigue crack growth life (FCGL) increases as the load truncation level is enhanced. Considering both the time saving and the influence on FCGL, there is an applicable choice (i.e. spectrum S2 or spectrum S3 in this investigation) for full scale fatigue test. The scatter of FCGL becomes much larger than that under the basic spectrum when the load truncation level is increased to a specified high level, mainly due to the occurrence of crack slanting and branching under the high level truncated loading spectra.     

TC4-DT焊接接头Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展实验及模拟研究

拉剪复合载荷作用下,构件中的裂纹呈现复杂的Ⅰ-Ⅱ复合型扩展模式,研究其扩展规律对准确评估构件疲劳寿命具有重要意义。针对TC4-DT钛合金电子束焊接头Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展规律开展研究,设计并加工紧凑拉伸剪切(CTS)试样,通过开展不同加载角度下接头试样的疲劳裂纹扩展实验,得到接头Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的a-N曲线及疲劳裂纹扩展路径。在上述基础上引入Ⅰ-Ⅱ复合型等效应力强度因子并结合Paris公式建立TC4-DT电子束焊接头Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展速率方程。采用扩展有限元法(XFEM)对复合型疲劳裂纹扩展过程进行数值模拟研究,得到不同加载角度下的扩展规律,并与实验结果进行比较。结果表明:不同加载角度下Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹开裂角模拟值与实验结果误差均在10%以内,并且扩展路径均与实验结果吻合;XFEM能够有效预测复合型疲劳裂纹扩展路径。     

螺桨断裂可靠性及损伤容限分析与评定

针对Ｙ７－２００５螺桨的载荷及使用环境的特点,建立了含裂纹构件的长寿命可靠性计算的二维断裂干涉模型,给出了无限寿命下的含裂纹结构的断裂可靠性计算方法。并计算了在不同初始裂纹尺寸下螺旋奖的可靠度。同时,对螺桨进行了损伤容限分析,建立了适应于高频小载荷下利用载荷的二维概率分布函数的裂纹扩展寿命干涉积分公式。给出了在不同初始裂纹尺寸下的裂纹扩展寿命及检修周期。     

随机谱下裂纹扩展统计模型

结合断裂力学及概率随机过程理论,应用概率断裂力学方法研究随机谱下裂纹扩展的随机性。提出一种裂纹扩展统计模型预测裂纹随机扩展的统计分布特性。预测结果与大子样随机谱下裂纹扩展试验结果吻合良好。