恒静载降K法测定焊缝疲劳裂纹扩展门槛值研究

焊接残余拉应力会显著降低焊接接头疲劳性能,因此,焊接结构疲劳寿命评估参数的测定应对焊接残余应力予以充分考虑.为测得考虑焊接残余应力影响条件下的疲劳裂纹扩展门槛值,本文提出通过设定恒定平均外载以等效残余应力作用,进而逐级降低裂尖应力强度因子范围(ΔK)测得焊缝疲劳裂纹扩展门槛值的方法,即恒静载降K法.通过与ASTM E647-15等标准推荐测试方法所得结果对比,探究了恒静载降K法测量值适用性;通过扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)等手段观察,对比分析了不同测量方法近门槛值载荷下的裂尖材料疲劳断口和变形行为.结果表明:采用恒静载降K法测量焊缝疲劳裂纹扩展门槛值最低,采用恒最大应力强度因子(K_(max))降载法的测量值次之,采用恒应力比(R)降载法的测量值最高.对比不同裂纹尖端K_(max)设定对门槛值测量的影响,发现随着K_(max)增大,门槛值测量值先快速下降,随后趋于平稳;采用恒静载降K法测定过程中K_(max)呈逐渐上升趋势,相应的门槛值测量值最低.疲劳断口显示,随着外加平均载荷增大,在近门槛值阶段断口形貌由疲劳辉纹转变为微区解理断裂;基于EBSD表征计算的裂尖材料几何必需位错密度表明,随着近门槛值外载的平均载荷增大,裂纹尖端位错密度增加.

残余应力与拘束对GH4169合金疲劳及蠕变-疲劳裂纹扩展速率影响研究

为深入理解残余应力与拘束在疲劳载荷下的交互作用,以镍基高温合金GH4169为研究对象,选用紧凑拉伸(CT)试样,对不同拘束CT试样的上方施加不同大小的预加载荷从而在裂尖产生不同应力。将该应力作为残余应力,系统研究残余应力和拘束交互作用下GH4169合金的疲劳和蠕变–疲劳裂纹扩展速率。结果表明:随着裂尖残余压应力的增加,不同拘束下GH4169合金的疲劳和蠕变–疲劳裂纹扩展速率均降低。与低拘束试样相比,高拘束试样的疲劳和蠕变–疲劳裂纹扩展速率对残余应力的变化更加敏感,这主要与裂尖Mises应力和垂直于裂纹扩展方向的正应力有关。与疲劳裂纹扩展速率相比,蠕变-疲劳裂纹扩展速率对残余应力的变化更加敏感。

全浸腐蚀后焊接接头疲劳裂纹扩展速率分析

服役于海洋环境中的风力发电机,其塔筒上的焊接结构不可避免地要遭受洋流、风浪、工作过程中带来的疲劳载荷及海洋复杂环境引发的腐蚀,往往成为腐蚀疲劳失效中的薄弱环节,因此,研究焊接接头的腐蚀疲劳现象,探索其背后的运作机制具有十分重要的意义.选用S355低合金高强钢作为试验材料,进行S355钢焊接接头在5%NaCl环境中的预腐蚀疲劳裂纹扩展试验.试验结果表明,与未经预腐蚀的试件相比,预腐蚀48 h的试样疲劳裂纹扩展速率并没有明显增加,而预腐蚀336 h的试样疲劳裂纹扩展速率增加显著.利用扫描电子显微镜对预腐蚀后的疲劳试件进行微观表征,观察到在裂纹扩展路径周围存在微裂纹和分支裂纹,表明金属发生了脆化.在预腐蚀疲劳断面上,观察到了裂纹扩展模式的转变,表层金属呈现平面脆性特征,内部金属保留了疲劳韧性特征,微观表征的结果表明,预腐蚀脆化了表层金属,从而加快了试件整体的疲劳裂纹扩展速率.

大厚度铝合金板疲劳裂纹扩展特性研究现状及关键问题探讨

试样厚度增加引发的裂纹扩展“马鞍效应”是厚度与三维裂纹端部应力应变场内在联系的表象反映,在未得出这种内在联系机理与规律的情况下,基于传统模型对大型机械设备中的厚板及变厚度板进行损伤容限评定必然存在很大的风险。以大厚度铝合金板为研究对象,从三维裂纹端部应力应变场与裂纹扩展形貌之间的关系、疲劳裂纹扩展的厚度效应、腐蚀与疲劳共同作用下裂纹扩展机理与模型等三个方面,对裂纹扩展相关问题的研究现状进行了总结分析,对大厚度铝合金板疲劳裂纹扩展特性研究的关键问题进行了探讨。

蒸汽发生器异种钢焊接接头疲劳裂纹扩展研究

钠冷快堆是我国发展第4代先进核能系统的主力堆型,蒸汽发生器是钠冷快堆重要部件.为了保证蒸汽发生器的安全性和可靠性,对异种钢焊接接头进行疲劳裂纹扩展行为研究.异种钢焊接接头共有6个不同微区,分别为F22母材、F22侧热影响区、隔离层、堆焊层、对接焊缝及316H母材.对异种钢焊接接头进行硬度测试、显微组织观察、疲劳裂纹扩展试验,利用光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)进行微观组织观察.F22母材组织主要为铁素体、珠光体和贝氏体,F22侧热影响区组织主要为铁素体和珠光体,隔离层、堆焊层、对接焊缝主要组织为奥氏体和δ铁素体,316H母材组织主要为奥氏体.F22母材的显微硬度最小,隔离层显微硬度最大,堆焊层、对接焊缝、316H母材的显微硬度逐渐下降,F22侧热影响区显微硬度变化较大.在低ΔK时,F22母材的疲劳裂纹扩展速率最快,隔离层、堆焊层、对接焊缝、316H母材的疲劳裂纹扩展速率逐渐变缓,随着ΔK的增加,隔离层的疲劳裂纹扩展速率变化最快,这是因为隔离层裂纹逐渐向F22母材侧偏转,使得其抵抗疲劳裂纹扩展能力逐渐降低.δ铁素体会影响隔离层、堆焊层、对接焊缝的抗疲劳裂纹扩展能力.F22母材和F22侧热影响区的疲劳裂纹断口撕裂最严重,隔离层、堆焊层、对接焊缝的断口平坦度逐渐增加,316H母材的疲劳裂纹断口形貌最平坦,与抗疲劳性能相对应.

钢桥疲劳裂纹扩展行为研究及可靠度更新分析

疲劳断裂失效一直是导致钢结构桥梁发生破坏的重要原因之一。为了更好地利用断裂力学对此失效行为进行研究,开展桥梁钢板件标准疲劳裂纹扩展试验。利用金属磁记忆无损检测技术监测疲劳裂纹扩展行为,分析疲劳裂纹扩展过程中磁信号的变化情况。从理论及试验两方面探讨疲劳裂纹扩展长度磁信号量化方法,确定磁特征参数与裂纹扩展长度之间定量关系式。随后将所提关系应用于疲劳裂纹扩展剩余寿命预测确定性研究,并通过试验结果对其进行验证。最后考虑疲劳裂纹扩展的随机性及损伤信息更新的必要性,进一步开展疲劳可靠度评估研究。研究结果表明:磁信号梯度最大值可以较好地对裂纹扩展长度进行量化表征,剩余寿命预测结果与试验结果误差均在20%以内,基于磁信号的可靠性评估方法可以配合我们更好地制定桥梁维修及养护策略。

孔挤压强化对GH4169孔结构高温疲劳裂纹扩展行为影响研究

为探究孔挤压强化对镍基高温合金GH4169孔结构疲劳裂纹扩展行为的影响规律,针对孔挤压强化后螺栓孔特征模拟件开展残余应力松弛及疲劳裂纹扩展试验。结果表明,经热松弛稳定后,孔边依旧可以保持至少400 MPa的残余压应力水平,且孔壁表面残余应力松弛幅度高于内部;孔挤压强化后疲劳裂纹扩展速率降低一个数量级,随着相对挤压量增加,疲劳裂纹扩展速率降低幅度增大,疲劳裂纹扩展寿命增幅为4~22倍。结合有限元仿真及断口分析,孔挤压强化对疲劳裂纹扩展的影响机制可归结为松弛至稳定后的残余压应力抵消部分外载应力,导致有效应力强度因子范围减小,使得疲劳裂纹扩展速率降低。基于该机制,利用残余应力修正的Walker模型对疲劳裂纹扩展寿命进行预测,误差在1.8倍分散带以内。

变桨轴承用42CrMo钢疲劳裂纹扩展试验及螺栓孔裂纹扩展特性研究

以风电变桨轴承用材料42CrMo钢为基础,从轴承应力集中部位取紧凑拉伸试样(CT试件),在不同载荷和应力比条件下进行CT试件的疲劳裂纹扩展试验,对裂纹扩展过程进行Paris疲劳裂纹扩展模型的数据拟合,由试验数据拟合得到Paris模型参数C和m;利用ABAQUS与FRANC3D软件联合仿真,将试验与仿真得到的不同应力比和不同载荷下的循环次数与裂纹长度进行对比,两者的吻合度较高。通过对风电变桨轴承危险部位进行建模,建立变桨轴承螺栓孔子模型,在危险部位建立初始裂纹进行疲劳裂纹扩展数值模拟,研究不同长深比以及不同角度的疲劳裂纹的扩展规律,结果表明:随着长深比a/b的增大,在裂纹增长同样长度的情况下,所需循环次数减小,初始裂纹形状及角度均对裂纹扩展规律有较大影响。

激光增材制造体育器材用TC4钛合金疲劳裂纹扩展行为研究

目的揭示应力比对增材制造TC4钛合金疲劳裂纹扩展行为的影响规律。方法采用紧凑型拉伸试样,在恒载荷幅条件下对激光增材制造TC4钛合金进行了应力比为0.1、0.3和0.5的疲劳裂纹扩展实验,定量评价了不同应力比下合金的疲劳裂纹扩展速率和变化规律。基于Paris公式对裂纹扩展速率进行了拟合,分析了应力比对各参数的影响规律。最后通过扫描电镜对断口表面形貌进行了观察,分析了应力比对断裂模型的影响。结果在相同的∆K条件下,疲劳裂纹扩展速率随着应力比的增大而增大。在Paris公式中,参数C随应力比的增大而减小,参数m随应力比的增大而增大,并且m和lgC呈现线性关系。随应力比的增大,断口表面的河流花样增多、疲劳辉纹变浅、二次裂纹数量增加。结论应力比引起的裂纹尖端闭合效应和平面应力比变化是导致裂纹扩展速率发生改变的主要原因。

基于有限元技术的疲劳裂纹扩展方法研究进展

疲劳裂纹是引起工程结构断裂失效的重要因素之一.目前疲劳裂纹扩展的有限元仿真商业软件有ANSYS、ABAQUS、FRANC3D、ZENCRACK等,这些软件为疲劳裂纹扩展过程的研究提供了有力支撑.本文对目前疲劳裂纹扩展的有限元仿真方法进行了综述.阐明了疲劳裂纹的定义以及研究疲劳裂纹扩展行为的必要性;介绍了三种用于模拟疲劳裂纹扩展的有限元方法:扩展有限元法(XFEM)、内聚力模型(CZM)和虚拟裂纹闭合技术(VCCT);分别总结了三种方法的基本理论和核心思想,对三种方法的应用与发展进行了分类归纳;最后对三种有限元方法进行分析,指出每种方法各自的优势及目前存在的局限性,并对疲劳裂纹扩展有限元仿真技术的未来改进方向给出了建议.

一种高强钛合金疲劳裂纹扩展行为

高强Ti-5Al-3Mo-3V-2Zr-2Cr-1Nb-1Fe(Ti-5321)合金是顺应我国新一代飞机对高性能钛合金的需求设计而开发的一种新型高强损伤容限型钛合金。以Ti-5321合金为研究对象,构造等轴组织(EM)、网篮组织(BW)和细网篮组织(F-BW)三种典型组织,研究拉伸及疲劳裂纹扩展行为,利用光学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)观察组织和断口,揭示高强钛合金Paris及失稳扩展区的疲劳裂纹扩展机制。结果表明:三种组织试样的抗拉强度均在1200 MPa以上,且整个裂纹扩展阶段均表现出优异的疲劳裂纹扩展抗力;细网篮组织疲劳裂纹扩展抗力最高,等轴组织疲劳裂纹扩展抗力最低;Paris区及失稳扩展区疲劳裂纹主要以穿过初生α相和沿着初生α相两种方式进行扩展,裂纹扩展方式与α相的晶体学取向密切相关,裂纹倾向于穿过有利于(1010)<1210>锥滑移的α丛域,绕过有利于(1011)<1210>柱滑移的α丛域。

氢气含量与加载频率对X80钢管接头疲劳裂纹扩展速率的影响

在氮气,体积分数均为2%的H_(2)+CO_(2)以及体积分数分别为5%,2%的H_(2)+CO_(2)环境中,对X80钢管接头试样进行不同加载频率(0.1,1.0,10.0 Hz)的疲劳裂纹扩展试验,研究了氢气含量和加载频率对疲劳裂纹扩展速率的影响。结果表明:当加载频率为1.0 Hz时,氢气含量越高,接头母材、热影响区和焊缝裂纹扩展速率越大,且焊缝中的裂纹扩展速率增大程度最大;含氢环境中焊缝的疲劳裂纹扩展速率小于母材和热影响区;当氢气体积分数为5%时,母材和热影响区均发生韧性断裂,但疲劳断口上存在微小的二次裂纹和少量平台状结构等脆性断裂特征,焊缝疲劳断口出现长度近80μm的二次裂纹,但断口形貌仍主要呈韧性断裂特征;氢气体积分数为5%时,随着加载频率增加,母材的疲劳裂纹扩展速率先增大后减小,加载频率为1.0 Hz时的疲劳裂纹扩展速率最大。

低温下HTS-A钢疲劳裂纹扩展速率预报方法研究

针对低温下船用HTS-A钢的疲劳裂纹扩展行为,本文采用25 mm厚HTS-A钢CT试样为研究对象,开展常温及不同低温环境下疲劳裂纹扩展试验。在试验研究的基础上,提出包含温度项的改进McEvily公式的低温疲劳裂纹扩展预报方法。结果表明:随着温度的降低,HTS-A钢的疲劳裂纹扩展速率逐渐降低。在-60℃时,HTS-A钢的低温疲劳裂纹扩展速率没有出现低温脆断,试验结果可为船用HTS-A钢低温疲劳设计提供数据参考。同时,分别采用本文HTS-A钢低温试验数据和文献中的钛合金低温试验数据验证低温疲劳裂纹扩展速率预报方法的合理性及正确性,该方法可用于预报不同低温环境下金属疲劳裂纹扩展速率。

TA17钛合金板状连接件的疲劳裂纹扩展行为研究

TA17钛合金是航空航天等工程中重要的结构材料,其疲劳裂纹扩展性能直接影响整体结构的安全性和完整性。本文基于Cr2Ni2MoV钢材紧凑拉伸试样斜裂纹疲劳裂纹扩展的试验结果,验证了ABAQUS软件XFEM模块用于分析平面应力状态下疲劳裂纹扩展的有效性,然后采用XFEM模块分析了TA17钛合金及其连接件的疲劳裂纹扩展性能。结果表明降低最大荷载、减小加载比和采用长圆孔型均可有效提高TA17钛合金连接件的疲劳寿命。采用XFEM模块可以预测连接件疲劳寿命的S-N曲线,预测TA17钛合金结构载荷增大33.3%,疲劳寿命减小为原来的1/4,可为工程疲劳设计提供参考依据。

CrMoV钢近门槛值区疲劳裂纹扩展评价模型准确性分析

近门槛值区的疲劳裂纹扩展行为及疲劳门槛值的确定对于工程材料与结构的疲劳性能和损伤容限设计具有重要意义。采用25Cr2Ni2MoV钢的疲劳裂纹扩展数据,运用Paris模型、NASGRO模型、Zhu-Xuan模型分别预测疲劳裂纹扩展门槛值,比较各模型的预测误差;进一步将Zhu-Xuan模型与转折点预测模型结合而建立的双线性评价模型,与ASME规范和BS 7910标准中的评价模型,开展相对误差和准确度的比较。结果表明,Zhu-Xuan模型误差在10%以内,准确度最高;双线性评价模型预测结果与试验数据具有较好的一致性、更高的准确度和稳定性,其精度提升程度最高可达28.6%。得出Zhu-Xuan模型及双线性评价模型对CrMoV钢材料的门槛值预测及寿命精准评定具有较好的适用性的结论。

钛合金扩散连接技术及其层合结构疲劳裂纹扩展研究进展

本文主要对钛合金的扩散连接及层合结构疲劳裂纹扩展行为的研究进展进行了综述,总结了扩散连接钛合金界面的微观组织演变和疲劳裂纹扩展特性。首先概述了超塑成形/扩散连接技术的应用背景和优势,以及提高钛合金扩散连接界面质量的辅助技术(如添加中间层、热氢处理、脉冲电流加热和表面改性)。从钛合金扩散连接和钛合金与其他合金扩散连接两方面综述了界面组织和力学性能,指出组织演变严重依赖界面处合金元素种类和元素相互扩散能力。扩散连接技术可用来制备同种和异种合金的层合结构,且可灵活控制界面焊合与未焊合区域的形状与分布。最后,简述了同种或异种钛合金扩散连接层合结构可降低疲劳裂纹扩展速率,从而优化钛合金构件的疲劳损伤容限性能。

12 mm厚TC4钛合金激光-MIG复合焊接头疲劳裂纹扩展行为研究

为探究12 mm厚TC4钛合金激光-MIG复合焊接头在不同区域的疲劳裂纹扩展行为,并分析微观组织与裂纹扩展之间的相互作用。利用体式显微镜、相显微镜、扫描电子显微镜和电子背散射衍射技术分别对接头不同部位的裂纹扩展速率,裂纹扩展路径的变化,接头不同区域的显微组织与裂纹扩展的交互作用和裂纹尖端周边组织的变形特征进行了深入探究。结果表明,在裂纹稳定扩展阶段,母材区域的裂纹扩展速率最大,分别是热影响区和焊缝区域裂纹扩展速率的1.16倍和1.81倍。当ΔK=20 MPa·m^(1/2),母材裂纹扩展速率为3.39×10^(-4)mm/cycle。裂纹尖端的IPF图表明,在焊缝区中存在的50°~70°的大角度晶界占比为36.36%,高于母材的11.91%和热影响区的11.65%,大角度晶界的存在使裂纹沿晶界偏转或消耗更多能量穿过晶界,增大裂纹扩展阻力,表现出较好的裂纹扩展抗性。母材和热影响区表现出沿晶脆性断裂和韧性断裂的混合断裂模式,而焊缝区主要呈韧性断裂模式。此外,EBSD分析结果表明,焊缝区裂纹尖端附近具有更高的几何位错密度,位错在马氏体边界聚集,导致裂纹沿晶界发生偏转,进一步阻碍了裂纹的扩展。施密特因子分析也表明,焊缝区组织间的取向差差异较大,导致其裂纹扩展门槛值较高。综上,焊缝区中存在的大量大角度晶界和高位错密度是焊缝区具有较高裂纹扩展抗性的主要原因。

铝锂合金的疲劳裂纹扩展行为及耐疲劳损伤机理

本文综述了铝锂合金疲劳裂纹扩展特性及耐疲劳损伤机理。在阐述铝锂合金不同类型时效析出相强化机理(切过机制和绕过机制)的基础上,详细论述了时效过程中析出相演化对铝锂合金疲劳裂纹扩展(FCG)速率的影响及机理,并重点阐述了晶粒组织(包括再结晶程度、晶界密度、晶粒尺寸、晶粒取向等)对铝锂合金FCG速率的影响及机理。总结了第三代耐疲劳损伤铝锂合金的开发路径、成分组织设计思路及部分铝锂合金的FCG性能;在阐述国内与国际上耐疲劳损伤铝锂合金发展差距的基础上,提出了国内耐疲劳损伤铝锂合金的研究方向。

基于TMCP工艺的FH36船板钢综合强化机理及疲劳裂纹扩展数值模拟

为了有效掌握高强度船板钢的综合强化机理和疲劳裂纹扩展行为,以控轧控冷工艺后的FH36钢为研究对象,利用EBSD、TEM和XRD等分析手段研究了FH36的沉淀相和织构成分;通过测试力学性能和疲劳裂纹扩展性能,定量计算了各强化机制对屈服强度的贡献值;采用新型扩展有限元法模拟了FH36船板钢的疲劳剩余寿命。结果表明:FH36钢中的沉淀相为NaCl型的(Ti,Nb)(C,N),主要的织构成分为{111}<123>、{331}<231>。综合强化机制的新算法可以定量表示为屈服强度的值等于固溶强化贡献值和沉淀强化值以及细晶强化与位错强化平方和的算术平方根值相加,其理论屈服强度值与实际屈服强度很好地符合。经试验验证,新型的数值分析结果的平均误差为3.02%,可以有效预测FH36钢的疲劳剩余寿命和评估疲劳性能。

Sc元素对Al-Cu-Li合金微观组织、力学性能及疲劳裂纹扩展行为的影响

【目的】对含Sc元素的Al-Cu-Li合金的微观组织、力学性能及疲劳裂纹扩展进行分析,总结Sc元素添加对晶粒组织、析出行为、力学行为及疲劳裂纹扩展的影响因素,为设计高综合性能的Al-Cu-Li合金提供参考。【方法】采用硬度、室温拉伸和疲劳裂纹扩展试验,结合SEM/EDS、EBSD和TEM表征,分析Sc元素对Al-Cu-Li合金的影响。【结果】无Sc合金的晶粒尺寸比含Sc合金的大。无Sc合金的硬度为182±2 HV3,明显高于含Sc合金的171±2 HV3。室温拉伸性能也表明,无Sc合金的强度明显高于含Sc合金,但含Sc合金的断后伸长率更高。循环加载次数相同时,含Sc合金的裂纹长度明显低于不含Sc的合金,无Sc合金的FCP速率高于含Sc合金。【结论】含Sc合金中形成Al3(Sc,Zr)相,提高高温下的稳定性,增加对晶界的钉扎作用,抑制晶粒的长大。AlCuFeMn和AlCuSc(W)相均消耗Cu元素,减少时效过程中T1相的析出,降低合金强度。与不含Sc合金相比,裂纹迂回绕过含Sc合金形成的W相,导致裂纹在传播路径上发生偏转,含Sc合金的位错密度更高,在高应力强度因子下,能够更好地阻挡裂纹扩展。