ON FATIGUE CRACK PATH DEVIATION AT ELEVATED TEMPERATURE IN ELECTRON BEAM REPAIRED WELDMENTS OF TURBINE DISK

Fatigue crack growth behaviors in electron beam weldments of a nickel-base superalloy are studied. The objective of this paper is to discuss effects of the inhomogeneity of mechanical performance on fatigue crack growth (FCG) rate and crack path deviation (CPD). The base metal served in a turbine disk of aerospace engine was selected to fabricate bead-on-plate weldments by using electron beam welding. Some wedge-type opening loading specimens, notched in three different zone of weld metal, HAZ and base metal, were employed and performed fatigue crack growth tests at 650℃. The results show that the fatigue crack growth of electron beam welded joints is instable due to the influence of mechanical heterogeneities. Owing to the crack deviation at the weld metal and heat-affected-zone (HAZ), the effective growth driving force at the tip of fatigue crack was reduced with the reduction of the effective stress intensity factor (SIF) which finally causes fatigue crack rate decrease. Fatigue crack was strongly affected by size and the symmetrical characteristics of the plastic zone at the crack tip, which means that the integrity of the welded structure containing the fatigue crack mainly depended on the toughness of the low strength zone.

核压力容器异种金属焊接接头延性断裂行为数值研究

使用GTN损伤模型与有限元计算相结合的方法,对核电安全端异种金属焊接接头试样裂纹扩展路径及J-R阻力曲线进行数值研究。结果表明:异种金属接头中的堆焊层及焊缝中心裂纹扩展路径和均质材料基本相同,而界面及近界面裂纹的扩展路径显著地偏离初始裂纹位置。界面裂纹及近界面裂纹倾向于向屈服强度低的软材料一侧扩展,这是由裂尖前区域不同材料的强度失配所致。不同初始位置和不同尺寸的裂纹具有不同的材料拘束和几何拘束,其J-R裂纹扩展阻力曲线不同。宏观断裂力学无法预测这种裂纹的扩展路径和扩展阻力,基于GTN损伤模型的数值计算方法可以预测这种裂纹的扩展路径及扩展阻力,可望用于安全端焊接结构的完整性评定和破前漏分析。

船体纵骨典型节点疲劳裂纹扩展寿命评估

基于有限元软件ABAQUS,结合虚拟裂纹闭合法、裂纹扩展判据及子结构技术,应用脚本语言Python开发出模拟疲劳裂纹扩展的程序(FCG-System)。对含初始裂纹的油船纵骨典型节点在侧面压力作用下进行疲劳裂纹扩展数值模拟,并探讨了软趾、背肘板及防倾肘板对疲劳裂纹扩展路径和寿命的影响。结果表明,增设软趾、背肘板或防倾肘板都会使裂纹扩展路径曲率增大,且软趾、防倾肘板可使裂纹扩展寿命增大,背肘板可使裂纹扩展寿命减小。

CTS试件中复合型疲劳裂纹扩展

针对复合型循环载荷作用下的金属构件中的裂纹扩展问题进行了实验分析和理论建模．首先采用紧凑拉剪试件(CTS)和Richard研制的复合型载荷加载装置,对承受复合型循环载荷的裂纹进行了实验研究．实验选择了两种金属材料试件,分别承受3种形式的复合型循环载荷的作用,在裂纹尖端具有相同的初始应力场强度的条件下考察复合型循环载荷对裂纹扩展规律的影响．实验结果表明,疲劳裂纹的扩展速率与加载角度有关．对于同样金属材料的试件,当裂尖处初始应力场强度相等时,载荷越接近于Ⅱ型,裂纹增长速率越快．采用等效应力强度因子(Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子的组合)、裂纹扩展速率及复合强度等参数,以实验数据为基础,建立了一个疲劳裂纹扩展模型,用来预测裂纹在不同模式疲劳载荷作用下的扩展速率．为验证其有效性,该模型被应用于钢制试件的数值模拟计算中．实验结果与模拟计算曲线保持一致,表明该模型可以用来估算带裂纹金属构件的寿命．

复合型裂纹的扩展路径模拟及疲劳寿命预测

针对二维裂纹稳态扩展,基于位移外推,通过最小二乘法拟合得到应力强度因子数值计算方法;利用最大周向应力准则判断裂纹扩展方向,并得到作为裂纹失稳扩展判据的等效应力强度因子;通过Paris准则得到疲劳寿命预测数值方法。基于ANSYS软件平台,根据上述理论通过APDL编程建立了裂纹扩展路径模拟及疲劳寿命预测模型。该模型可根据裂尖位置进行参数化建模及网格自动划分。将3个典型算例仿真结果与相应解析解或实验结果进行比较,验证了该方法的正确性,为裂纹扩展路径模拟及疲劳寿命预测提供了一种有效的技术手段。

淬火微观组织对重轨钢疲劳裂纹扩展速率的影响

以U75V重轨钢CT(Compaction test)试样为研究对象,分别研究了冷速为3℃/s、5℃/s及空冷轧态的组织对稳定区(疲劳扩展Ⅱ区)疲劳裂纹扩展速率的影响,疲劳试验在高频共振疲劳试验机上进行。研究结果表明:疲劳裂纹扩展速率随着珠光体片层间距的减小而降低,冷速由大到小(5℃/s、3℃/s、空冷)所对应的n值分别为3.603 05、3.631 18和3.885 28;珠光体组织的疲劳裂纹断裂形式主要以穿晶断裂为主,同时伴随部分沿晶断裂;片层间距影响裂纹扩展路径的偏折程度,偏折程度随片层间距的减小而增大,增大的裂纹偏折路径对裂纹扩展的阻碍作用增强,有利于疲劳裂纹扩展速率的降低。

7050铝合金Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹研究

为研究7050铝合金在Ⅰ-Ⅱ型复合加载下疲劳裂纹扩展规律,在Amsler HFP5000高频试验机上利用Richard加载装置,完成紧凑拉剪(CTS)试样疲劳裂纹扩展试验,利用有限元对Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹进行数值模拟,采用APDL命令流计算不同裂纹长度的应力强度因子,并引入最大周向应力准则计算裂纹扩展角,用有限元计算等效应力强度因子,并绘制不同加载角下的疲劳裂纹扩展速率曲线,在扫描电镜下观察裂纹扩展断口,分析断口形貌。研究结果表明:有限元数值模拟预测Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展角与试验值基本一致;引入当量应力强度因子后不同加载角下的I-Ⅱ型裂纹扩展速率曲线与Ⅰ裂纹的曲线基本重合;扫描电镜下疲劳断口为准解理断裂,断口的粗糙度与加载角有关,加载角越小,断口表面越粗糙。

齿根裂纹的闭合效应对齿轮疲劳寿命的影响

考虑裂纹闭合效应对裂纹扩展的影响,将裂纹闭合力转化为裂纹表面之间的恒定牵引力引入齿根裂纹,利用有限元方法对齿根裂纹的扩展过程进行模拟.与不考虑裂纹闭合效应时齿根裂纹扩展过程进行了对比分析,结果表明:考虑裂纹闭合效应时,裂纹扩展过程中的KⅠ的值比不考虑裂纹闭合效应时低;裂纹闭合效应对齿根裂纹扩展路径没有显著影响,但能阻碍裂纹的扩展,有效延长了齿轮的疲劳寿命.

Q345R钢的Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展行为

复合型疲劳裂纹前沿多轴应力状态不断变化,裂纹扩展路径的走向难于预测;然而裂纹扩展路径直接影响裂纹扩展速率,从而影响裂纹体剩余寿命的准确评估和结构的安全性。在分步加载下,采用不同厚度的Q345R钢非对称紧凑拉剪(CTS)试样,进行Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展行为的实验研究。采用二维光学定位测量系统,实时跟踪和准确定位裂纹前沿,计算疲劳裂纹扩展长度;利用动态材料疲劳试验机,可以自动记录加载循环次数;根据裂纹扩展长度与循环次数的关系,采用七点递增多项式拟合方法,可以得到相对应的裂纹扩展速率。实验结束后,采用高倍电子显微镜拍照,可得到清晰的Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展路径。实验结果表明:非对称CTS试样一直经历Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展,裂纹扩展路径不断发生改变,偏斜程度主要受到加载角度的影响;加载方向改变后,裂纹扩展路径有向外载荷垂线方向靠近或跨越的趋势,裂纹扩展速率迅速下降,表现为过载延迟现象。

镍基单晶合金紧凑拉伸试样高温断裂特性的实验研究

采用紧凑拉伸(CT)试样对三种晶体取向[001],[011],[111]的镍基单晶合金DD3在950,850℃和760℃下的拉伸以及950℃时的蠕变和疲劳性能进行了实验研究。应用光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)分别对单晶体裂纹扩展路径和断口表面进行了观察和分析。拉伸实验结果表明:单晶体裂纹扩展路径沿着特定的晶体学矢量方向扩展而在试样自由表明呈现Z字型外观,其扩展方向及形状取决于晶体取向。温度对试样的断裂形式影响较为显著,760℃时的断裂特征为剪切型脆性断裂,断裂平面为沿滑移面的光滑斜断口;950℃下试样断裂逐渐转变为微孔聚集型韧性断裂,断口由粗糙的剪切唇和纤维区构成。蠕变和疲劳实验结果表明:镍基单晶具有明显的蠕变和疲劳性能各向异性,蠕变寿命以[011],[111],[001]顺序依次减小,疲劳寿命以[111],[011],[001]顺序依次减小;蠕变及疲劳裂纹扩展路径均与加载方向垂直,断裂表面均为光滑的平断口。试样断口细观分析显示,蠕变试样断口由杯锥状韧窝组成,而疲劳试样断口则由疲劳裂纹组成。疲劳损伤比蠕变损伤更有利于裂纹的扩展。

观察裂纹路径及组织演变的SEM样品制备方法研究

本试验利用SEM和电阻炉研究一种SEM样品的制备方法,用于观察裂纹路径,并分析断裂后的显微组织变化。结果表明:通过浸镀焊锡,能够在不同断裂方式形成的裂纹轨迹上形成一条明显的"纯锡带",呈现出裂纹路径。同时该方法能够观察分析拉伸、冲击、断裂韧性及疲劳断裂等过程中产生的二次裂纹路径及断裂表层下的组织演变。

CTS试样偏折裂纹应力强度因子研究（英文）

采用CTS试样研究Ⅰ/Ⅱ混合型断裂特性计算裂纹前缘应力强度因子时可采用解析公式,一旦裂纹发生扩展,解析公式便不再适用。文中采用有限元法研究紧凑拉伸剪切(CTS)试样在Ⅰ/Ⅱ平面混合型加载下的裂纹扩展行为。采用ANSYS建立CTS试样Ⅰ/Ⅱ混合型测试系统有限元模型,为模拟真实受力状态,在CTS试样—销—扇型夹具以及扇型夹具—销—U型夹具之间分别建立接触对进行接触力学分析。通过与解析公式结果进行对比验证了该数值方法的可靠性,采用最大环向应力准则(MTS),模拟了CTS试样不同加载角度下的裂纹扩展路径,获得了裂纹扩展路径中应力强度因子随裂纹长度的变化曲线,解释了裂纹扩展路径不与外载荷方向垂直的原因,并给出了CTS试样偏折裂纹应力强度因子解析公式。

平面应变下的主应力比对微孔洞损伤演化行为的影响

通过有限元计算,分析平面应变下的主应力比对微孔洞损伤演化行为的影响.计算结果表明,三向应力度q相同时,不同的主应力比2σ/1σ会引起不同的孔洞长大和聚合行为,从而使开裂路径和断裂时的应变不同.当2σ/1σ>1时,最大主应力为2σ,由孔洞长大和聚合所决定的开裂路径倾向于同2σ方向垂直.当2σ/1σ<1时,最大主应力为σ1,开裂路径倾向于同1σ方向垂直.随主应力比2σ/1σ的增加,孔洞面积分数fa随主应变1ε1的增加速率变大,断裂时的主应变(1ε1)f降低.因此在分析应力状态对材料的损伤断裂行为的影响及建立相应的力学模型时,不仅要考虑三向应力度σm/eσ,而且要考虑不同主应力比2σ/1σ的影响.

用增量的路径无关积分率研究蠕变裂纹的扩展

主要研究了增量路径无关积分参数在蠕变裂纹非稳定扩展阶段的推广应用，在确定积分参数与裂纹扩展速率有线性关系的同时，对三轴应力度、塑性应变和蠕变应变等裂尖参数在裂纹扩展过程中的变化作了比较和说明。

孔边裂纹塑性应变疲劳扩展试验研究

简介了循环Ｊ积分ΔＪ＊ｐａｔｈ体系，以１６ＭｎＲ钢单边椭圆孔边裂纹试件进行了６种循环应力比的恒幅应变疲劳裂纹扩展试验，采用材料应变疲劳循环加载条件下的应力－应变关系，通过弹塑性有限元素法计算ΔＪ＊ｐａｔｈ参量，研究了孔边高应变区裂纹塑性应变疲劳扩展规律。结果表明：ΔＪ＊ｐａｔｈ能够作为缺口高应变区裂纹塑性应变疲劳扩展的控制参量，与裂纹扩展速率ｄａ／ｄＮ之间的指数关系，可通过相同材料的标准试件应力疲劳裂纹扩展由Ｐａｒｉｓ公式与ΔＪ＊ｐａｔｈ＝ΔＫ２／Ｅ转换得到。

细骨料混凝土细观断裂试验研究

用带扫描电镜的电液伺服试验系统对细骨料混凝土进行了断裂试验,拍摄到了不同荷载水平下裂纹扩展过程的SEM图像。对应于荷载水平,对这些断裂过程的细观图片进行了系统的分析,表明裂纹扩展路径具有明显分形性质。此外,从理论上分析得出断裂路径的分维数D与传统方法计算的断裂能GF之间存在着InGF∝D的关系,这一结论与试验结果吻合较好。

基于概率统计方法对钢轨疲劳裂纹路径的研究

目的利用有限元软件ANSYS对车轮滚过裂纹过程进行分析,确定轮轨接触疲劳裂纹的扩展方向。方法基于最大周向应力判据,用概率统计的方法对车轮滚过裂纹过程中,不同角度初始裂纹可能的扩展角度进行分析。车轮滚过裂纹过程中,用可能扩展角度的均值作为裂纹的扩展方向计算裂纹扩展路径。结果用概率坐标纸拟合出的相关系数均大于98.5%,说明裂纹可能的扩展角度符合威布尔分布的可能性超过98.5%。当裂纹长度小于700μm时,裂纹可能的扩展角度基本符合威布尔分布;当裂纹长度达到800μm时,裂纹尖端的等效应力强度因子(Keff)出现4个峰值;当裂纹长度达到1200μm时,第3个峰值载荷处裂纹尖端的Keff超过了材料的断裂韧性,此时裂纹会向行车相反的方向急剧地扩展。结论对于不同角度初始裂纹,其扩展角度基本符合威布尔分布;整个裂纹路径的趋势与实验测得的裂纹路径有较好的一致性,车轮滚过裂纹过程中,用裂纹可能扩展角度的均值作为裂纹的扩展方向可行。

焊接接头组织对疲劳裂纹扩展路径的影响研究

对窄间隙焊接接头各个区域的疲劳裂纹扩展路径进行了系统研究,探究了各个区域微观组织对裂纹扩展路径的影响。疲劳裂纹扩展试验结果表明,在相同的疲劳载荷条件下,焊缝区的疲劳裂纹扩展速率最慢,门槛值最高,抗疲劳裂纹扩展性能最好。结合微观组织分析,发现疲劳裂纹在焊缝区扩展时穿过了以粒状贝氏体组织为主的等轴晶区和柱状晶区,韧性较好的等轴晶和一定角度的柱状晶晶界的阻碍作用延缓了裂纹扩展的速率。以马氏体为主的热影响区组织中,疲劳裂纹路径较为曲折:当裂纹尖端停留在组织较为均匀的细晶区时,裂纹受到的阻碍作用相对较小,其路径也相对平直;当裂纹扩至粗晶区时,粗大的马氏体板条对裂纹扩展有较强烈的阻碍作用,在板条垂直于裂纹扩展方向时,裂纹在扩展过程中出现分叉的现象;当裂纹呈现出向焊缝区扩展的趋势时,焊缝区所具有的相对较高的抗疲劳裂纹性能,使得裂纹再次偏折回热影响区内进行扩展。研究成果可为深入理解微观组织对疲劳性能的影响提供参考。

带孔搅拌摩擦焊接整体壁板的复合裂纹扩展路径研究

针对搅拌摩擦焊接板在飞机整体结构上的应用,建立了带孔搅拌摩擦焊接板的有限元数值计算模型,采用最大周向拉应力准则,分析了结构参数,如孔位置、焊接区宽度和厚度对裂纹扩展路径的影响:孔位置对裂纹扩展路径有很大影响,孔离焊接区越远,其影响越小;焊接区厚度对裂纹扩展路径影响也很大,而焊接区宽度对于裂纹扩展的影响相对较小;并把数值计算结果和试验结果相比较,结果吻合较好。为飞机带孔搅拌摩擦焊接整体壁板结构设计提供了一定的参考。

基于衰减路径时变性的压力容器疲劳裂纹安全裕度研究

传统压力容器安全裕度表征模型未考虑裂纹扩展过程中的时变性,导致无法准确反映剩余安全裕度大小.为此,本文基于速度积概念建立了大型压力容器剩余安全裕度模型.裂纹扩展形式直接影响安全裕度判定,故运用Paris公式并考虑闭合效应得到裂纹扩展规律公式,并结合Newman和Raju数值计算应力强度因子的理论,得到了不同裂纹的深度和长度方向变化的关联函数.以表面裂纹为例,通过关联函数模型得到安全衰减路径,然后计算了路径速度积安全裕度模型的表征变化,从寿命安全裕度角度评价了路径速度积安全裕度模型,结果表明,随着裂纹在不同速度下的扩展变化,其安全评价结果更符合实际安全裕度变化,并为工程应用提供新思路.