超声疲劳试验技术的应用

论述应用超声疲劳试验技术研究金属合金受高频(20000Hz)振动载荷下的疲劳寿命及裂纹扩展性能, 研究材料受超声疲劳循环载荷的机械损伤和断裂机理。该试验技术应用于疲劳断裂研究领域具有省时、省力、省钱和无噪音等突出优点, 并能很好地模拟航空发动机有关构件实际工作状态下的机械损伤模式。      

超声振动载荷下合金的疲劳裂纹扩展性能研究

本文应用超声共振试验技术研究了4种工程常用合金(Astroloy, 17-4PH, Ti-6Al-4V, Al-Li8090)在超声振动载荷(f=20kHz, R=-1)下的疲劳裂纹扩展性能, 并与常规疲劳载荷(f≤50Hz, R=0.7)下材料的有关性能做了对比分析。对超声疲劳载荷下材料损伤及裂纹扩展机理的特点做了研究, 给出了这种特定载荷形式下应力强度因子的计算方法。研究结果表明, 超声疲劳载荷下各种合金的裂纹扩展性能与常规疲劳试验中确定的有效应力强度因子△Keff类同。      

Al－Al_3Ni自生复合材料的高周疲劳损伤断裂机制及其应力比的影响

实验观察和研究了Ａｌ－Ａｌ３Ｎｉ自生复合材料的高周疲劳损伤断裂行为以及应力比Ｒ的影响,结果显示在Ｒ＝－１疲劳过程中孔洞沿界面区基体的优先萌生、联接和扩展是其损伤断裂的主要机制;并且发现Ｒ对疲劳寿命及断裂过程有明显影响,当Ｒ＝０时滑移带裂纹生长相对容易,寿命减小,而Ｒ＝∞时,裂纹集中在类似于压缩变形的宏观形变带内发展,寿命很长     

涡轮叶片复合疲劳特性曲线及其规律的试验

为了解高周振动载荷对于涡轮叶片高温疲劳性能的影响,对某型涡轮叶片进行高低周复合疲劳试验.试验结果表明,在低周载荷基础上叠加高频振动载荷,显著缩短了叶片的疲劳寿命;复合疲劳的分散性很大,且不存在疲劳极限,当叶片高周循环次数超过107时,继续试验叶片仍会发生断裂;在双对数坐标下,叶片的振动应力与其高周循环寿命成线性关系,即复合疲劳特性曲线(应力-寿命曲线、概率-应力-寿命曲线)服从双对数线性规律,进一步研究发现该规律对于高温合金材料的复合疲劳特性曲线具有普遍性.      

飞机结构振动疲劳分析研究进展

结构的振动疲劳分析研究对飞行器设计及其可靠性具有重要意义。全面阐述了国内外在结构振动疲劳研究方面的新进展,特别对随机振动载荷下结构的疲劳寿命估算作了详细的评述与讨论,综合最新的研究方法和取得的成果,对一些新出现的研究方向,比如材料的振动疲劳寿命曲线、飞机结构抗振动疲劳设计等进行了阐述,最后指出了结构振动疲劳分析尚待进一步研究的问题。     

变幅载荷下改善焊接接头疲劳性能的超声冲击与TIG熔修方法之比较

 在恒幅和变幅两种加载条件下,对16Mn 钢原始焊态和经过超声冲击及TIG熔修处理的焊接接头进行了对比疲劳试验。结果表明: (1) 在恒幅载荷作用下,TIG熔修试件与焊态试件相比,疲劳强度提高37 %左右,疲劳寿命延长2.5 倍;而在变幅载荷作用下, TIG熔修试件与焊态试件相比,疲劳强度提高34 %左右,疲劳寿命延长1.7～1.9 倍。(2) 在恒幅载荷作用下,超声冲击处理试件与焊态试件相比,疲劳强度提高84 %左右,疲劳寿命延长3.5～27 倍;而在变幅载荷作用下,超声冲击处理试件与焊态试件相比,疲劳强度提高80 %左右,疲劳寿命延长2.5～17 倍。(3) 在低中应力水平、中长寿命区域内,无论是在恒幅载荷作用下还是在变幅载荷作用下,使用超声冲击法提高焊接接头疲劳强度较TIG熔修法的效果更好。     

油箱积水环境下航空铝合金2E12-T3和7050-T7451疲劳性能实验

典型腐蚀环境下的疲劳性能是航空金属结构疲劳寿命设计的前提,为此,实验测定航空铝合金2E12-T3和7050-T7451光滑试样和缺口试样在干燥大气环境和油箱积水环境下的疲劳性能S-N曲线,观测实验现象,根据实验数据结果进行疲劳性能对比,并对试样断口进行扫描电镜(SEM)分析,研究油箱积水腐蚀环境和载荷联合作用对疲劳性能的影响机理,结果表明:油箱积水环境对材料的疲劳性能产生不利影响,疲劳载荷的降低和试样的缺口均加剧腐蚀环境对材料疲劳性能的不利影响;腐蚀引起的试样表面粗糙状况更容易萌生疲劳裂纹,裂纹尖端发生的电化学反应和氢脆效应加快裂纹扩展,使得疲劳性能降低和疲劳寿命缩短。     

随机振动疲劳计算方法比较

强度、刚度和疲劳寿命是工程结构和机械使用的三个基本要求。当结构所受到的载荷是动态载荷时,结构的响应会比较大,使得结构易于产生破坏,这类属于振动疲劳问题。结构通过动力学分析,得到响应PSD,然后根据响应从频域角度结合材料的S-N曲线进行寿命预测。目前国内外关于振动疲劳的研究比较少。本文总结了国内外解决振动疲劳的模型和方法,并给出了算例比较了不同寿命计算方法。     

20kHz频率下DZ125定向凝固高温合金的超高周疲劳行为研究

采用超声疲劳试验技术,研究了DZ125定向凝固高温合金在频率20kHz、载荷比R=-1下的超高周疲劳失效行为.结果表明:DZ125合金在循环周次大于108下仍发生了疲劳断裂;扫描电镜观察表明,DZ125合金的超高周疲劳裂纹均起源于试样的表面,经疲劳断口定量计算,超高周疲劳的萌生寿命约占总寿命的97.3%;电子背散射衍射(EBSD)分析表明,在超声振动应力的作用下,DZ125合金晶体发生了旋转,外加应力幅越大,晶体旋转的角度会略微增大,疲劳变形区域也略微增大,接近疲劳瞬断区的变形层深度最低;超高周疲劳试验结果经频率修正后,S-N曲线与常规低频疲劳的S-N曲线能很好地衔接.     

管道系统中Ti-Ni合金管接头的疲劳寿命(S-N)分析

采用了全寿命(S-N)的有限元分析方法,分析了循环振动载荷下的Ti-Ni合金管接头,给出了有限元计算的疲劳寿命分布图.结果表明,管接头中间内表面处为疲劳寿命的薄弱位置;马氏体相变和逆相变在同一位置的反复发生,是造成局部疲劳损伤/疲劳寿命低的直接原因和起源.     

一种球墨铸铁的超高周疲劳行为研究

 应用超声疲劳试验技术,完成了20kHz频率下(R=-1,R=0 1)的疲劳试验,获得球墨铸铁GS51在亿周次范围内的疲劳性能。通过20kHz频率下的超声疲劳试验和35Hz频率下的常规疲劳试验,确定了球墨铸铁GS51在104～1010周的S N曲线,并对105～107周之间2种频率下的试验结果进行了比较。试验结果表明,在疲劳循环大于107周时,试件仍会发生疲劳断裂;在107～1010周之间,疲劳强度随着循环次数的增加而下降。比较107周内20kHz和35Hz下的试验结果,表明超声疲劳试验中,频率对球墨铸铁GS51疲劳性能的影响不大。经扫描电镜观察疲劳断裂试件发现,在高周疲劳条件下,疲劳破坏主要源于试件表面不均匀分布的球墨和试件内部的缩孔。     

在25℃和-40℃环境下的3种航空材料的疲劳品质研究

为了研究低温和常温环境下的航空金属材料的疲劳品质,进行了-40℃和25℃2种温度环境下的LY12CZ,LC4CS和30CrMnSiNi2A3种材料的S-N曲线的对比试验研究。通过S-N曲线的对比,可以看出3种材料在-40℃下的S-N曲线全部高于常温25℃下的S-N曲线;从试验寿命上比较,-40℃的裂纹形成寿命,在中等寿命区,比常温25℃下的裂纹形成寿命平均高3倍。这说明低温环境可提高裂纹形成寿命。     

单面螺纹抽钉干涉配合复合材料连接结构的疲劳性能研究

通过疲劳试验研究了单面螺纹抽钉干涉配合复合材料连接结构的疲劳性能,分别考虑了紧固件类型、干涉配合量、搭接板材料及铺层次序等影响因素。采用了拉压疲劳试验,拉压比R=-1,循环应力水平则根据静载极限挤压强度值选定。根据疲劳试验循环应力和疲劳寿命曲线(S-N曲线),得到了不同影响因素对疲劳寿命的影响规律。结果表明,选择适当的干涉配合量、紧固件类型及搭接板均能提高结构的疲劳寿命,4种不同主板铺层次序均对结构疲劳寿命影响不大。     

LY12铝合金疲劳损伤的非线性超声检测

针对LY12铝合金材料的早期疲劳损伤问题,研究发展了一套可靠的超声非线性系数测量实验系统,利用该系统离线测量了LY12铝合金疲劳试件的超声非线性系数.实验结果表明,在未达到60％左右疲劳寿命时,超声非线性系数对LY12铝合金材料的早期疲劳损伤有很高的灵敏度.同时利用浸蚀法观察了LY12硬铝疲劳试件的位错密度变化,超声非线性系数和位错密度随疲劳周次的变化近似一致,表明超声非线性效应与晶体中的位错有关,超声非线性系数可以表征晶体材料内部位错的变化,进而预测金属材料的疲劳寿命.     

基于临界距离理论的TC4合金缺口试样 低循环疲劳寿命预测

对TC4合金缺口试样的临界距离和低循环疲劳寿命分别进行了分析和预测.研究了缺口临界距离与疲劳寿命、载荷比、应力集中系数的相关关系及其对寿命预测结果的影响.研究结果表明:TC4合金缺口试样的临界距离不仅与疲劳寿命有关,还与载荷比和应力集中系数相关.载荷比相同时,临界距离与疲劳寿命之间可采用幂函数经验公式来描述.载荷比为-1和0.1时,TC4合金缺口试样的临界距离-疲劳寿命曲线基本重合,当载荷比增大为0.5时,临界距离明显增大.载荷比和疲劳寿命相同时,临界距离与应力集中系数近似成反比关系.寿命预测结果表明:采用临界距离理论预测TC4合金缺口疲劳寿命时,要获得更准确的疲劳寿命预测结果,应同时考虑临界距离与疲劳寿命、载荷比以及应力集中系数等因素的相关性.      

材料循环应力-应变行为及循环应变寿命的研究

材料的循环应力-应变行为以及循环应变与寿命的关系是材料的主要疲劳特性,用局部应力 -应变法计算构件疲劳裂纹形成寿命时要用到它们。使用这些疲劳特性的不同描述方法给寿命计算带来的误差差别很大。依据试验结果对目前的一些描述方法作出比较,并指出较为合理的选择。     

超声疲劳研究

超声疲劳试验方法省时、节能,适用于材料的长寿命疲劳和低速率裂纹扩展研究。近年来该试验技术和理论研究日益发展成熟。超声疲劳不仅属于疲劳学和断裂力学的基础研究,而且其成果已应用于航空、航天等工业领域。着重介绍超声疲劳研究的进展。