微晶玻璃亚表面损伤深度测量技术及控制试验研究

针对微晶玻璃材料研磨加工引入的亚表面损伤层,综合使用磁流变抛光斑点技术和HF酸差动化学蚀刻速率法测量亚表面裂纹层深度和亚表面残余应力层厚度,针对微晶玻璃材料抛光加工引入的亚表面损伤,采用蚀刻台阶高度变化率法对其进行了准确测量。基于研磨、抛光产生的亚表面损伤深度准确检测的基础上,提出一种超低亚表面损伤复合加工工艺。将复合工艺与传统工艺加工试件的亚表面损伤深度进行了对比,试验结果表明,复合工艺对亚表面损伤抑制效果非常明显,试验证实了提出的复合工艺可以实现微晶玻璃超低亚表面损伤加工。     

表层梯度强化的缺口试样疲劳寿命数值研究

利用改进的Tanaka-Mura模型,确定复杂疲劳载荷与拉压疲劳载荷之间的等效转换关系,给出残余压应力的影响规律,并利用这一模型,针对含缺口的表面强化处理试样的疲劳寿命与裂纹起源位置进行系统地数值分析。结果表明:缺口试样的疲劳形核寿命和位置与强化层的厚度、表面与基体硬度比以及残余应力相关;强化层厚度变化会改变裂纹形核位置;存在临界厚度,当强化层厚度小于临界厚度,裂纹形核于强化层与基体的界面,否则,形核于强化亚表层或表面;表面与基体的硬度比增加会导致临界厚度增加;残余压应力对疲劳萌生寿命影响较小,而残余拉应力则明显降低疲劳萌生寿命。     

含多裂纹对接板应力强度因子三维有限元分析

应力强度因子（SIF）分析是含多部位损伤（MSD）结构的裂纹扩展分析及寿命预测的基础,对于连接结构采用简化模型难以考虑次弯曲、铆钉变形等因素影响。本文建立了含MSD对接板的三维有限元模型,研究了不同损伤模式、设计构型和约束条件下的裂纹尖端SIF分布特性以及随裂纹长度的变化规律。结果表明,孔边裂纹Ⅰ型SIF起主导作用,Ⅱ型和Ⅲ型SIF可忽略不计;由于次弯曲效应,SIF从外表面到内表面近似呈线性关系逐渐增加;MSD裂纹之间存在较强的干涉作用,且裂纹间距离越短数量越多,干涉作用越强;SIF随拼接板厚度增加呈先增加后降低的趋势,原因是拼接板刚度和铆钉柔度对铆钉载荷传递有一定影响;采用埋头铆钉会使SIF值增加,且内外表面差异变得更大;反翘曲约束对裂纹尖端SIF均值影响很小,但能显著降低SIF沿厚度方向的变化。     

镍基单晶合金CT试样裂纹尖端应力结构及晶体滑移特性

 针对3种不同晶体取向（［001］,［011］,［111］）的镍基单晶合金DD3紧凑拉伸（CT）试样,利用考虑有限变形和晶格转动效应的率相关晶体滑移有限元程序对其裂纹尖端三维应力场进行了弹塑性模拟计算分析,深入考察了裂尖等效应力和滑移系分切应力分布以及滑移系激活规律,并对裂纹扩展路径进行了理论预测和试验研究。结果表明,裂纹尖端应力结构有较大的变化,呈现复杂的变化规律,对此试样的晶体取向有较大的影响;裂纹尖端自由表面形成具有特定矢量方向的滑移带,裂纹启裂和扩张途径与该滑移带有关,晶体学结构分析表明其特征敏感于晶体取向。裂纹尖端的等效应力、最大分切应力沿厚度方向分布均为在试样心部较为均匀,而在外表面处则下降较快,有限元计算和实验测定结果证实这两部分分别与试样断口上的纤维区和剪切唇区相对应。     

含表面裂纹的复合材料层压板剩余强度的工程算法

表面裂纹可导致复合材料层压板的强度降低,针对一些对裂纹敏感的复合材料关键部件有必要计算裂纹对层压板剩余强度的影响。传统预测层压板剩余强度的方法均与层压板具体铺层方向有关,通过研究具有表面裂纹的碳纤维/环氧树脂层压板的剩余强度特性,提出了一种与铺层方向无关的预测层压板剩余强度的工程算法。首先,利用裂纹几何参数以及层压板相关力学性能参数对剩余强度进行快速估计,再基于内聚力单元建立含表面裂纹的复合材料层压板的有限元模型,通过对含表面裂纹的层压板的渐进损伤过程进行描述,研究了裂纹深度和长度对剩余强度的影响,验证了工程算法的合理性。     

热载荷下热障涂层表面裂纹-界面裂纹的相互作用

针对热障涂层在热循环载荷下陶瓷层表面和氧化层/黏结层界面形成裂纹而导致涂层失效的问题,采用扩展有限元和内聚力单元建立陶瓷层表面裂纹与氧化层/黏结层界面裂纹相互作用的有限元模型,得到不同裂纹附近应力分布和开裂程度,分析了这2种裂纹之间的相互影响,结果表明:表面裂纹对界面裂纹影响较大,而界面裂纹对表面裂纹影响较小;氧化层几何参数以及材料参数对2种裂纹演变的影响研究结果表明:氧化层正弦幅值和厚度主要影响界面裂纹,在热载荷下,氧化层越粗糙,界面裂纹扩展速度越快。黏结层弹性模量主要影响界面裂纹扩展程度,而陶瓷层弹性模量主要影响表面裂纹扩展程度,对界面裂纹间接地产生较大影响。     

ZrO2陶瓷切向超声辅助磨削表面及亚表面损伤机制

为进一步揭示切向超声辅助磨削过程中硬脆材料的表面及亚表面损伤机理,基于应变率模型对其磨削过程中材料的动态力学性能进行分析,并在此基础上建立了硬脆材料的脆-塑转变临界切削深度模型与微裂纹损伤深度模型。研究发现,脆-塑转变临界切削深度和微裂纹损伤深度均与应变率有关,其中临界切削深度随着应变率的增加而增加,而横向裂纹损伤深度与中位裂纹损伤深度均随应变率的增加而减小。通过ZrO₂陶瓷切向超声辅助磨削试验进行验证。试验结果表明：由于切向超声振动的引入提高了材料应变率,进而提高了材料的动态断裂应力以及动态断裂韧性,从而扩大了ZrO₂陶瓷的塑性域去除范围,降低了加工表面的横向裂纹与中位裂纹损伤深度,使得ZrO₂陶瓷的表面及亚表面质量得到明显改善。试验结果与理论分析相一致,为进一步揭示切向超声辅助磨削过程中硬脆材料的表面及亚表面微观损伤机理提供了理论参考。     

预热温度对热障涂层表面裂纹形成的影响

先进航空发动机与燃气轮机热端部件的服役温度不断提高,对热障涂层性能提出了越来越高的要求。在涂层中引入一定密度的周期分布表面裂纹,可以同时提升其隔热性能和服役寿命,是一种极具潜力的先进热障涂层技术。然而,目前关于这种涂层中表面裂纹形成的力学机制研究尚不充分。以等离子喷涂热障涂层表面裂纹的形成过程为对象,发展了考虑热应力的多层结构剪切滞后模型,推导了表面裂纹形成前陶瓷层内应力场与位移场的解析解,获得了不同预热温度下陶瓷层内平均应力、平均应变能密度及总应变能随涂层厚度的演变规律,发现：在表面裂纹形成前,陶瓷层内平均应力和平均应变能密度不随其厚度改变,而总应变能随其厚度线性增大,这说明陶瓷层内总应变能是衡量能否在涂层中形成表面裂纹的关键参量;在其他喷涂参数不变的情况下,预热温度越高,表面裂纹越容易形成。本文阐明了预热温度对表面裂纹形成的影响,为实现高热障和高应变容限热障涂层的可控制备提供了理论指导。     

基于能量模型的三维穿透裂纹扩展研究

利用能量释放率与应力强度因子的关系,给出了裂纹尖端的有效能量释放率;裂纹稳定扩展时有效能量释放率恰好等于裂纹扩展阻力,利用裂纹尖端前沿各点的有效能量释放率相等关系,提出了一种基于能量模型的三维穿透裂纹扩展形貌计算方法,可以计算不同厚度试样的三维穿透裂纹扩展形貌,并通过不同厚度单侧裂纹板的有限元仿真计算和试验进行了验证.仿真与试验结果表明:利用基于能量模型的三维穿透裂纹扩展形貌计算方法可以确定三维结构的裂纹扩展形貌;随着单侧裂纹板厚度的增加,裂纹尖端“隧道效应”消失,裂纹扩展形貌转变为“马鞍”形;试样自由面处的裂纹扩展速率要小于中面处的裂纹扩展速率.      

Ti-6Al-4V富氧层生长规律及对疲劳性能的影响

研究了Ti-6Al-4V合金在900℃、930℃和960℃下富氧α层显微组织和显微硬度的变化及对疲劳行为的影响。在热暴露0.5~24h时间内,富氧层中的α相含量远高于基体内部,其晶粒尺寸也发生长大现象。随着热暴露温度的升高和时间的延长,富氧α层的厚度增大,氧的固溶强化作用使其显微硬度明显升高。显微硬度随着深度的增加逐渐下降,在表面200μm以下趋于稳定。热暴露后疲劳试样表面的富氧层造成疲劳裂纹萌生模式发生改变,由单裂纹源刻面萌生模式变为多裂纹源表面萌生,裂纹萌生阶段寿命与总寿命均大幅降低。     

工程陶瓷磨削表面/亚表面损伤的产生及其控制

讨论了表面/亚表面裂纹和残余应力产生的原因及扩展机理,探讨了控制陶瓷磨削表面/亚表面损伤的途径,并指出了当前存在的问题及今后需要努力地方向.     

激光冲击强化7075铝合金熔焊接头的疲劳性能

激光冲击强化（LSP）技术具有残余压应力场深、冷作硬化程度低和强化区域可控等优点,在焊接结构表面改性方面应用前景广阔。对2 mm厚度的7075-T6铝合金激光-电弧复合焊接接头实施了激光冲击强化处理,对比分析了强化前后接头的硬度、残余应力、疲劳寿命以及疲劳裂纹形核机制。结果表明,焊缝中心的最高硬度由强化前的152 HV提高到强化后的175 HV,有效强化层深度约为100 μm;经激光冲击强化后,焊缝区呈现残余压缩应力,最大残余压应力为-200 MPa;9组焊接接头试样的平均疲劳寿命为675 937周,约为强化前疲劳寿命（262 297周）的2.6倍;疲劳裂纹萌生位置从具有高度应力集中的表面缺陷转移至强化层以下的亚表面,进而有效地提高了疲劳裂纹的形核寿命。     

光学元件抛光亚表面损伤实验研究

设计光学元件抛光亚表面损伤检测实验,使用原子力显微镜(AFM)检测传统抛光亚表面塑性划痕与磁流变抛光亚表面塑性划痕的最大深度,通过比较验证磁流变抛光对亚表面塑性划痕的抑制能力;同时利用二次离子质谱仪的深度剖析功能检测磁流变抛光石英样件后表面水解层的深度,指出磁流变抛光属于低损伤性抛光技术。     

7075铝合金板材残余应力深度梯度的评估

 提高航空结构件残余应力的测试精度, 意味着可提高其安全可靠性, 减轻重量及降低成本, 然而现有的残余应力测试方法( 如钻孔法、X 射线法等) 只能测定构件外表面与浅表层的残余应力。为此, 引进一种被称为裂纹柔度法的残余应力测试新技术, 对7075 铝合金板材在T73, T7351, T7352 与T7353 状态下的内部残余应力进行了专门研究与评估。有关研究结果表明, 这种残余应力测试新技术不仅能测定7075 铝合金板材的全厚度残余应力分布及其应力梯度, 而且比逐层钻孔法与X 射线衍射法具有更好的敏感性和精确度。     

损伤力学方法在材料低周疲劳试验中的应用研究

考察了低周疲劳过程中的弹性模量和应力随循环次数的变化.研究表明:可以用弹性模量和应力的变化来反映材料的低周疲劳损伤过程.对没有明显循环稳定阶段并表现为循环软化响应行为的材料, 不适合用应力的变化来定量的反映材料低周疲劳的损伤过程.用弹性模量随循环次数的演化关系得到了不同应变水平下材料的疲劳裂纹萌生寿命, 并用三参数幂函数方程对应变与疲劳裂纹萌生寿命进行了拟合处理, 得到了应变与疲劳裂纹萌生寿命方程.      

虑及高循环疲劳的裂纹型外物损伤叶片的可用极限

为了发展一种航空发动机钛合金风扇/压气机叶片外物损伤（FOD）可用极限的确定方法,对典型叶片的可用极限进行了调研,基于裂纹门槛值原理建立了应力比相关的FOD裂纹不扩展等值曲线图,根据TC4钛合金不同应力比下材料的疲劳耐久性极限强度对比了两种裂纹不扩展判据的适用性,通过该方法确定了一种典型风扇叶片撕裂/裂纹型外物损伤的可用极限。结果表明:现有维修手册中对叶片不同区域不同类型FOD的可用极限要求不同,FOD可用极限的主要限制尺寸为损伤深度,深度限制一般在1mm以内。通过裂纹不扩展等值曲线图确定的典型风扇叶片撕裂/裂纹型FOD可用极限分布在0.020~0.525mm内,可用极限沿叶片展向分布可分为三个区域:叶根区可用极限约0.08mm,叶中区可用极限约0.3mm,叶尖区可用极限约0.5mm,越靠近叶根可用极限越小。      

裂纹齿轮动力特性三维有限元模拟

建立了裂纹齿轮结构的三维有限元动力学模型,分析了齿轮轮齿发生裂纹后的齿轮动力特性(固有频率、振型、动态应力等),并对裂纹出现位置和裂纹尺寸等对齿轮动力特性的影响进行了深入探讨和计算机模拟。指出裂纹尺寸和位置对于齿轮的固有频率和振型都有影响,当出现裂纹后固有频率发生下降,振型也发生变化,而裂纹位置对固有频率和振型影响大于裂纹尺寸的影响,当裂纹位于齿根处时齿轮固有频率下降较大,当裂纹位于齿顶处时齿轮固有频率下降较小,当裂纹出现后齿轮体的振型明显不同于无裂纹时的振型,在裂纹附近振动的振幅增大,并且齿轮体的动态应力也发生变化,与无裂纹的齿轮结构动力特性完全不同。      

一种多部位损伤全寿命分析的工程方法

提出了一种多部位损伤全寿命分析的工程方法,该方法包含3部分内容。对多裂纹萌生问题,通过研究多细节结构中裂纹萌生机理,将裂纹萌生寿命的取值事件转化为3个独立事件的积事件,前者的发生概率等于3个独立事件发生概率的乘积,3个独立事件的发生概率可由单细节结构裂纹萌生寿命的概率分布求得。从而可由单细节结构裂纹萌生寿命概率分布得到多细节结构中依次出现的各条裂纹的萌生寿命的概率分布。对多裂纹扩展问题,先通过有限元方法计算出多裂纹指定长度组合下的应力强度因子,然后引入响应面法,定量地建立了裂纹长度与应力强度因子之间的函数关系,由响应面模型得到多裂纹任意长度组合下的应力强度因子,最后采用循环接循环法进行裂纹扩展分析。对多裂纹结构失效分析,采用亚临界条件判断结构是否失效,认为结构上萌生的首条裂纹与第2条裂纹的位置相邻,裂纹发生首次连通时,结构失效。进行了单细节带孔板与多细节带孔板的裂纹萌生扩展试验,并对多细节带孔板的裂纹萌生扩展寿命和首次裂纹连通寿命进行了预测。预测结果和试验结果吻合良好,表明该方法是有效的。     

超声喷丸与传统喷丸对TC4 钛合金残余应力影响的仿真分析

为了预测喷丸TC4钛合金试件的残余压应力层深度及值的分布和冲击面凹坑的直径、深度特征曲线及表面形貌的变化,采用ABAQUS/Explicit软件建立2个3D模型。通过超声喷丸与传统喷丸2种工艺过程数值仿真对比了表面残余应力场差异,分析了TC4钛合金弹丸直径、速度和冲击次数等喷丸参数对残余应力分布的影响。结果表明:当动能相同时,2种强化过程表面所产生的残余压应力是可比较的,超声喷丸模型亚表层残余应力深度为0.16 mm,约为传统喷丸模型深度的2倍;传统喷丸产生的残余压应力最大值约-800 MPa,约为超声喷丸的1.6倍。与传统喷丸相比,超声喷丸具有较低的表面粗糙度以及较深的残余压应力层。残余压应力层深度与弹丸直径呈正相关,但过大的弹丸尺寸会引起薄壁件另一侧残余拉应力区域的增大。