T6态热挤压Al-5Cu-0.8Mg-0.15Zr-0.2Sc-0.5Ag合金的低周疲劳行为

为了揭示经过T6处理的热挤压Al-5Cu-0.8Mg-0.15Zr-0.2Sc-0.5Ag合金在不同温度下的低周疲劳变形与断裂行为,对T6态热挤压合金进行了室温和200℃条件下的低周疲劳实验。结果表明:在室温和200℃下合金塑性应变幅与载荷反向周次之间服从Coffin-Manson公式,而弹性应变幅与载荷反向周次之间服从Basquin公式;合金在室温和200℃下低周疲劳变形时,在较低外加总应变幅下疲劳变形机制主要为平面滑移,而在较高外加总应变幅下疲劳变形机制主要为波状滑移;室温和200℃下合金的疲劳裂纹均萌生于疲劳试样表面并以穿晶方式扩展。

激光沉积Ti65钛合金低周疲劳性能

对激光沉积制造的Ti65钛合金进行室温低周疲劳实验,对比研究了高、低功率试样的低周疲劳性能。结果表明,高、低功率试样均表现出循环软化的特征,随着应变幅的增加,试样的软化率在不断提高;相同应变幅下,高功率试样的软化率和疲劳寿命高于低功率试样。通过损伤演化模型对疲劳寿命进行预测,预测结果较为准确,均处于1.5倍分散带以内。低应变幅下,低功率试样疲劳源萌生于气孔缺陷,高功率试样疲劳源萌生于表面裂纹,低功率试样裂纹萌生速度明显快于高功率试样,疲劳寿命更低;高应变幅下,试样具有多疲劳源,疲劳寿命明显下降。不同功率试样的裂纹均以穿晶断裂的形式进行扩展。

CFRP板纵向加固RC柱在水平低周循环荷载下的力学性能研究与应用

开发了一种纵向粘贴CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer,碳纤维增强复合材料)板的RC(Reinforced Concrete,钢筋混凝土)柱抗弯加固系统,该加固系统由纵向粘贴在柱表面的预制CFRP板和防止柱底CFRP板脱粘的混凝土加厚层组成.为研究纵向粘贴CFRP板对RC柱的抗弯性能影响,设计并开展了5根足尺矩形RC柱的水平低周循环加载试验.研究结果表明:粘贴CFRP板加固能有效延缓柱的开裂;柱的破坏模式得到明显改善;相较于未加固柱子,粘贴1层CFRP板和2层CFRP板加固的RC柱极限承载力分别提高了15.1%和17.4%;加固后柱的抗弯承载力和刚度得到提高,但增加CFRP板的层数对极限强度和刚度没有显著影响,反而会降低柱的延性,相较于仅采用增大柱底截面的方式加固的对照柱,粘贴1层CFRP板和2层CFRP板加固的试验柱的延性系数分别降低16.2%和35.1%;试验过程中,由于柱与基础节点承载力的限制,CFRP的最大应变仅达到极限应变的24%,抗拉强度未得到充分发挥.该加固方法已在某医院加固工程中得到应用,跟踪研究表明,加固后柱子的抗弯承载力有明显提升,加固方法得到工程业界的认可.

热冲击高强钢焊接接头的低周疲劳及断裂机理研究

为了研究热冲击下高强钢焊接接头的低周疲劳性能及断裂机理,用电弧焊焊接Q345结构钢,分别在-20~400℃、-40~650℃、-60~900℃下对焊接接头进行循环冲击,用疲劳试验机加载低周疲劳载荷,分析热冲击温度对低周疲劳性能及疲劳强度的影响,并用扫描电子显微镜等分析焊接接头的断裂机理。结果表明:相同疲劳加载次数下,焊接接头的总应变幅值随热冲击循环次数的增加匀速下降;相同热冲击循环次数下,疲劳加载次数越多,焊接接头的应变幅值越小;相同疲劳加载次数和相同热冲击循环次数下,随冲击温度范围的扩大,焊接接头的总应变幅值逐渐减小,但总应变幅值整体变化与冲击温度范围正相关。

温度和应变幅对亚稳奥氏体不锈钢S321低周疲劳行为的影响

在室温和650℃的环境下对S321、S321H不锈钢进行了0.5%、0.7%、0.9%应变幅下的低周疲劳试验,并在室温下对S321和S321H开展了多个寿命点的疲劳加载历史试验,结合X射线衍射定量分析测算形变诱发马氏体的含量。结果表明:形变诱发马氏体的生成会导致奥氏体钢持续循环硬化,室温下合金在初次硬化后继续二次硬化,而在650℃下没有形变诱发马氏体生成,合金在初次硬化后进入循环稳定阶段。循环过程中,碳含量越低,形变诱发马氏体含量越多,合金的循环硬化程度更高。两种温度下,两种材料的疲劳寿命在低应变幅下都相差不大,应变幅越大,两种材料的疲劳寿命相差越大,因此,可以考虑服役条件为低应变幅时使用S321不锈钢代替S321H不锈钢。

低碳钢及其不锈钢复合钢材低周疲劳行为的对比研究

不锈钢复合钢材在土木工程结构中得到了越来越多的关注和应用,但是其在循环荷载作用下的力学行为还缺乏足够的认识。通过单轴拉伸试验和不同应变幅条件下的对称应变控制加载低周疲劳试验,对比研究了2 mm+10 mm热轧304+Q235B不锈钢复合钢材及其基层Q235B碳钢钢材的循环弹-塑性特性和低周疲劳寿命;结合数值模拟得到的疲劳试件截面应力分布,分析了复合钢材低周疲劳失效模式的力学机理。结果表明,在拉伸和循环荷载下,复层304不锈钢与基层Q235B碳钢之间均没有出现界面剥离现象;复合钢材及Q235B碳钢均表现出与加载应变幅正相关的循环硬化行为,且前者的循环应力响应大于后者;复合钢材的低周疲劳初始裂纹均出现在Q235B碳钢侧,这是由于复层不锈钢和基层碳钢不同的拉应力状态和塑性变形能力共同造成的,但是复合钢材与Q235B碳钢的低周疲劳寿命未表现出明显的区别。该批次304+Q235B不锈钢复合钢材具有良好的低周疲劳性能,可代替Q235B碳钢用于对腐蚀防护性能具有较高要求的工程构件中。

4130X钢非对称非比例载荷下双轴低周疲劳行为

为研究4130X钢在双轴疲劳载荷下的应力应变状态以及疲劳损伤行为,对4130X钢开展了双轴非对称比例与非比例循环载荷作用下的疲劳试验研究。从双轴循环应变幅、双轴棘轮应变、断口形貌和疲劳寿命等方面,系统分析了不同双轴加载条件下4130X钢的低周疲劳与棘轮行为。结果表明,随着双轴载荷比的减小或相位差的增大,双轴均表现出显著的循环软化现象,并且棘轮应变显著增加,双轴棘轮效应更加明显,导致其疲劳寿命减小。与其他加载情况相比,等双轴载荷比下相位差对疲劳寿命和等效应变的影响更加显著,在双轴相位差ΔФ由0°变为90°时,疲劳寿命下降90%。断口特征表明,随着双轴非比例程度的增大,韧窝由等轴韧窝逐渐转变为剪切韧窝,数量显著增加。

复材风扇叶片榫头元件低周疲劳和损伤模式

为考核层合结构复材风扇叶片在1.5倍离心载荷下的低周疲劳寿命,制备一批风扇叶片,在薄弱部位取样。通过建立层合结构风扇叶片有限元模型,模拟榫头的应力状态,从而确定拉伸载荷水平,开展拉-拉载荷低周疲劳测试。在相邻铺层间引入内聚力单元,并考虑榫头试样单向带面内损伤,模拟损伤变量随循环数累积的过程,增加虚拟拉伸载荷,得到榫头低周疲劳失效时刻的损伤状态。试验结果说明榫头元件形成分层裂纹的平均寿命为17207次循环,首次出现分层裂纹的位置基本一致。数值仿真结果表明榫头单向带基体和层间损伤累积引起裂纹扩展,导致低周疲劳失效。本研究可为建立层合结构复材风扇叶片低周疲劳寿命试验流程和疲劳失效判据提供支撑。

低周疲劳的结构应变法在铁路货车上的工程应用

为了开展铁路货车车体焊接结构的低周疲劳寿命预测,详细推导了理想弹塑性结构应变计算理论,基于计算理论进行了程序设计,并通过焊接接头试验进行了验证.进一步开展了平面应变焊接接头模型的仿真计算结果和结构应变法计算结果的对比,探讨结构应变法的使用条件.最后,将虚拟台架与结构应力变结合开展了快捷货车的低周疲劳寿命分析的工程应用.结果表明:提出的低周疲劳的结构应变方法及其计算程序,当结构应力与屈服强度的差值在150 MPa以内时,理想弹塑性结构应变计算结果与实际结果一致,能够解决铁路货车低周疲劳寿命预测问题;当结构应力与屈服强度差值超过150 MPa后,随着结构应力的增加,误差也增加.该文的研究为低周疲劳的结构应变法工程推广应用提供了良好的技术支撑.

M24高强度螺栓低周疲劳试验与理论研究

为探究M24高强度螺栓低周疲劳破坏机理,对18个20MnTiB材质的10.9级M24高强度螺栓进行了低周疲劳试验研究,并针对典型螺栓试件进行宏观和微观断口分析。另外,基于拟合Coffin-Manson公式和幂指函数公式,探讨了疲劳试验加载频率与螺栓低周疲劳寿命之间的关系,并采用ABAQUS和Fe-Safe软件建立有限元模型,进一步探讨了螺栓低周疲劳断裂机理及其影响因素。结果表明:10.9级M24高强度螺栓低周疲劳破坏模式主要分为脆性断裂和非脆性破坏,且疲劳断裂方式与加载频率无明显相关性;疲劳断口扩展区面积占比较少,瞬断区面积较大且更粗糙;疲劳源形核期短,裂纹形核容易,且断口边缘分布多个疲劳源,造成裂纹扩展过程中产生大量二次裂纹,降低了疲劳裂纹扩展寿命;螺栓内部含碳杂质会促进裂纹的萌生与扩展,降低了螺栓的裂纹萌生寿命;当加载频率为0.2 Hz时,螺栓低周疲劳寿命关系更契合幂指函数公式;当加载频率为0.5 Hz时,Coffin-Manson公式拟合程度更好;数值模拟所得螺栓应力集中位置与低周疲劳试验中试件断裂位置基本吻合;Fe-Safe软件模拟高强度螺栓低周疲劳寿命具有一定可行性。

基于薄片漏斗试样的N06230合金高温低周疲劳性能研究

设计了薄片漏斗试样和配套弧形薄片夹具,对国产和进口N06230合金管薄片漏斗试样进行650℃高温低周疲劳试验,基于试验数据和能量密度等效方法建立循环应力幅-应变幅关系参数模型,利用有限元方法获得模型常数,并验证模型的准确性;利用该模型获得2种合金管的循环应力幅-应变幅曲线和应变幅-寿命曲线以及Manson-Coffin律参数,并对2种合金管的疲劳性能进行对比。结果表明:根据薄片漏斗试样高温低周疲劳试验数据和确定循环应力幅-应变幅关系参数模型常数,获得的应力幅-应变幅曲线与有限元分析预设的曲线相吻合,拟合优度均高于0.98,说明该模型对于预测材料循环应力幅-应变幅关系具有普适性和精确性;国产N06230合金管的循环应力幅-应变幅曲线及疲劳性能与进口合金管相近。

不同变形方式β型Ti-Mo-Fe合金的低周疲劳性能

利用OM,SEM,EBSD和电液伺服疲劳试验机等研究不同塑性变形方式的Ti-10Mo-xFe(x=1,2,3,质量分数/%)合金的低周疲劳性能,分析总应变幅(Δε_(t)/2=0.5%,1.0%和1.5%)和Fe含量对合金力学响应、组织结构和疲劳裂纹扩展行为的影响。结果表明:随着应变幅和Fe含量的增加,合金的低周疲劳性能下降。各合金的循环应力响应行为普遍表现为初始循环硬化,随后趋于循环稳定或轻微的循环软化,直至断裂失效。Ti-10Mo-1Fe合金的塑性变形由{332}〈113〉孪生主导,随着Fe含量的增加,合金的塑性变形方式向位错滑移转变。低应变幅下Ti-10Mo-1Fe合金疲劳源区孪晶数量较少,沿裂纹扩展方向孪晶数量逐渐增加;高应变幅下近断口区域出现大量孪晶。Ti-10Mo-1Fe合金中孪晶的大量产生及交割将晶粒内部分割成网状组织,从而起到细化晶粒的作用,有效释放应力集中并延缓疲劳裂纹的萌生。同时微裂纹扩展至孪晶界附近时发生裂纹偏折,合金中大量的孪晶界有效延长疲劳裂纹扩展路径。

TC17/Ti60异种钛合金激光焊接接头微观组织和低周疲劳性能研究

采用激光焊接技术焊接TC17/Ti60异种钛合金,对焊接接头的宏观形貌、微观组织、显微硬度、拉伸性能和低周疲劳性能进行研究。结果表明:TC17/Ti60合金焊接接头母材、焊缝、热影响区之间的微观组织存在较大差异;TC17钛合金母材为α+β双相组织,β相内存在较多次生α'相;Ti60合金母材组织以等轴α相为主,β相主要分布在等轴α晶粒周围;焊缝微观组织为针状次生α'相;随着距焊缝距离的减小,TC17钛合金热影响区α'相逐渐消失、α相逐渐转变为β相,Ti60合金热影响区β相逐渐消失、α相逐渐转变为针状次生α'相;TC17/Ti60合金焊接接头拉伸断裂位置在TC17钛合金热影响区;由于焊接接头的焊缝下部存在较多气孔缺陷,低周疲劳断裂位置则位于焊缝处。

考虑耦合损伤的高低周复合疲劳寿命预测模型

燃气轮机叶片等机械零部件在工作过程中常受到由低频离心力导致的低周疲劳和由高频振动引起的高周疲劳的共同作用,高低周复合疲劳损伤是其发生破坏的重要因素之一。高低周复合载荷条件下产生的损伤不再是简单的损伤叠加,还需要考虑高周载荷和低周载荷交互作用产生的耦合损伤。在Miner理论的基础上考虑高低周复合载荷引起的耦合损伤,建立高低周复合疲劳寿命预测模型。经过实验验证,对比所提出的模型与Miner模型、Trufyakov-Kovalchuk模型的预测效果,结果表明,提出的模型有较好的预测精度。

FGH4096粉末高温合金保载低周疲劳性能研究

对FGH4096粉末高温合金在700℃下进行了总应变范围控制的低周疲劳试验和拉伸应变保载低周疲劳试验,研究了保载时间对滞回环特征、应力松弛、循环应力响应和疲劳寿命的影响及其产生作用的损伤机理。结果表明,保载时间的引入可导致FGH4096合金疲劳寿命降低,随保载时间的延长,疲劳寿命降低速率逐渐减小;在总应变范围0.9%下,不同保载时间下FGH96合金均表现出循环软化特征;在拉伸应变保持期间发生应力松弛现象,拉伸应变保持初始阶段,应力急剧下降,之后随保持时间延长而趋于平缓。微观组织分析表明,低周疲劳断口和保载低周疲劳断口均由疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬断区组成,疲劳源区均位于试样表面,扫描电镜下观察两种试样断口均未发现明显的蠕变断裂特征。

基于线性强化结构应变法的低周疲劳分析

焊接结构的低周疲劳分析对于轨道车辆尤为重要。为了有效评估焊接结构的低周疲劳,提出一种基于线性强化本构的结构应变数值计算方法。该方法基于经典板壳理论和弹塑性力学。通过考虑材料的应变硬化行为,将材料的真实应力应变关系简化为线性强化本构关系。利用有限元分析软件ABAQUS和Fe-safe计算焊接结构焊趾位置的结构应力,给出基于径向回退算法的线性强化本构塑性修正模型。利用MATLAB编写结构应变数值计算程序对结构应力进行塑性修正,并计算结构应变。基于该结构应变,给出了考虑板厚效应和载荷模式的等效结构应变范围计算公式,利用主应变-寿命曲线分析低周疲劳数据,建立了广泛用于轨道车辆的Q450高强度耐候钢材料制成的3种焊接接头的有限元模型。采用结构应力法的主应力-寿命曲线和结构应变数值计算方法的主应变-寿命曲线对试验获得的疲劳数据进行分析,并对比2种方法计算的等效结构应变范围。结果表明,各焊接接头的试验数据均分布在主应变-寿命曲线的线性窄带内,验证了结构应变数值计算法的可行性;与结构应力法相比,结构应变数值计算方法能更好地反映低周疲劳过程中材料的应变硬化现象,更适用于焊接结构的低周疲劳评估。该方法对轨道车辆焊接板结构的低周疲劳评估具有研究价值。与传统的通过提取节点力的方式计算结构应力和结构应变参数的方法相比,利用MATLAB编写结构应变数值计算程序极大地提高了结构应变参数计算的效率。

应变幅对低层错能Fe-Mn-Si系合金室温低周疲劳性能的影响

在低加载应变速率(8×10^(−3) s^(−1))下对退火态低层错能Fe-29.4Mn-4.3Si-1.4Al-0.049C合金进行室温低周疲劳试验,研究了不同应变幅(1%,2%,3%)下合金的低周疲劳性能以及疲劳断裂后的微观结构,揭示应变幅对低周疲劳变形行为和疲劳寿命的影响规律和作用机制。结果表明:随着应变幅的增加,试验合金的疲劳寿命显著缩短,疲劳变形行为均表现出初始循环硬化、循环饱和、二次循环硬化的三阶段加工硬化特征;增大应变幅会增加循环加工硬化程度及其随循环次数的增加速率,缩短初始循环硬化阶段和循环饱和阶段。随着应变幅的增加,试验合金中的ε马氏体平均转变速率增大,疲劳断裂后组织中不可逆块状ε马氏体含量增多,尺寸增大,且组织内部应变分布的不均匀程度增大。试验合金的疲劳变形机制为Shockley不全位错的平面滑移和ε马氏体的相变及逆相变。增大应变幅会提高疲劳变形的平均峰值应力,促进Shockley不全位错分离和块状ε马氏体生成,增大块状ε马氏体的尺寸,削弱ε马氏体相变可逆性和变形可逆性。

制孔工艺对DD6镍基单晶高温合金低周疲劳性能的影响

在900℃、540 MPa条件下,研究了电液束加工、电火花成形加工、电火花小孔加工三种制孔工艺对DD6单晶高温合金试验件低周疲劳性能的影响,并对孔微观形貌和断口形貌进行了对比分析。结果表明,在相同试验条件下,电液束加工得到的气膜孔具有最佳的疲劳寿命。疲劳源位于气膜孔周边,不同制孔工艺的断口特征相似,均为多源断裂,而断口主要包括疲劳裂纹源区、扩展区和瞬断区三个区域。

基于晶体塑性理论的镍基合金高温低周疲劳寿命预测方法

对Inconel 718镍基合金进行高温拉伸试验和低周疲劳试验,借助晶体塑性有限元方法分析合金的疲劳裂纹萌生过程。结果表明:Inconel 718镍基合金的高温低周疲劳裂纹萌生寿命随着总应变范围的增大而缩短;该镍基合金的高温低周疲劳裂纹容易在三叉晶界处萌生,这些区域存在较大的累积塑性滑移。

水利工程中钢筋材料的低周疲劳退化研究

钢筋是常用的水工材料,由于良好的工作性能被广泛应用在工程领域。为了研究锈蚀和非弹性屈曲对钢筋低周疲劳退化的影响,文章对钢筋进行低周疲劳试验,分析了钢筋锈蚀对性能损失的影响。结果表明:非弹性屈曲对钢筋的循环应力-应变响应有明显的影响,长细比越大的钢筋的循环退化速度越快,增加钢筋试件的长细比可以降低锈蚀对钢筋的耗能能力的影响。钢筋的锈蚀方式、应变幅和非弹性屈曲是影响锈蚀钢筋低周疲劳行为的重要参数。