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。

新型钛合金保载疲劳裂纹扩展行为预报方法研究

本文对新型钛合金的保载疲劳裂纹扩展行为进行了试验研究。该新型钛合金主要被用于深海载人潜水器的压力壳,试验获得不同温度下载荷比R=0.3和不同波形下载荷比R=0.03时的保载疲劳裂纹扩展速率。基于已有的钛合金保载疲劳裂纹扩展预报模型,对不同温度和不同波形下的保载疲劳裂纹扩展速率进行了预报。结果表明,本文所选择的预报模型可用于新型钛合金的保载疲劳裂纹扩展行为的预报,能够准确预报不同温度下保载疲劳裂纹扩展速率,修正后也能准确预报不同波形下的静疲劳裂纹扩展速率。

30mm厚TC4钛合金电子束焊接头的高周疲劳与裂纹扩展速率

文中对比研究了30 mm厚TC4钛合金电子束焊接头和母材的高周疲劳性能,发现接头的高周疲劳性能与母材非常接近。在文中试验条件下,电子束焊接头在循环周次为2×10^(6)时的高周疲劳强度为474 MPa,达到母材的94.2%。观察电子束焊接头和母材的高周疲劳断口形貌,发现接头和母材的疲劳源均位于试样表面。疲劳裂纹扩展区都发现疲劳辉纹,相同载荷条件下,母材高周疲劳断口中辉纹的间距较小,约为1.49μm,电子束焊接头的相邻辉纹间距为2.14μm。在接头和母材的疲劳瞬断裂区还发现大量韧窝,呈现出典型的韧性断裂特征。文中还对比了母材、热影响区和焊缝区的疲劳裂纹扩展速率,发现热影响区的抗疲劳裂纹扩展性能最弱。分析认为,热影响区的高硬度是导致其抗疲劳裂纹扩展性能弱于其他区域的重要原因。

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。

不同驱动参量的金属材料疲劳裂纹扩展速率模型综述

疲劳裂纹扩展速率da/d N是金属材料进行损伤容限设计时用到的一项重要力学性能指标,其获得并不直接依赖于裂纹扩展的驱动参量,这为采用不同驱动参量表征da/d N提供了可能性。本文分别介绍了以裂纹尖端应力强度因子范围△K、能量释放率变化范围△G、J积分变化范围△J、张开位移变化范围△δ、塑性区变化范围△r、裂纹前缘附近应变范围△εT等为疲劳裂纹扩展驱动参量的裂纹扩展速率模型及应用,为研究疲劳裂纹扩展规律时不同驱动参量的选择提供依据。

海底管道疲劳裂纹扩展寿命预报的影响因素分析

海底管道所处载荷环境复杂,疲劳破坏是主要失效形式之一。由于制造及环境因素,海底管道不可避免会出现裂纹缺陷,对于服役中的海底管道,预报其剩余疲劳寿命并对影响预报结果的因素进行研究具有实践意义。在保守估计法的前提下,采用MTS准则对海底管道裂纹扩展模式进行分析。利用有限元法及1/4节点位移法求解裂纹应力强度因子,随后基于Paris公式的da法对海底管道进行疲劳扩展寿命预报,最后对数值预报结果的影响因素进行探讨。结果表明,当裂纹尺寸增量Δa设置合理时,海底管道裂纹扩展寿命的预报值与试验值相接近,该数值方法能有效预报海底管道的疲劳剩余寿命。裂纹尺寸增量Δa对寿命预报影响很大,从预报精度和计算耗时两方面综合考虑给出了合理选择裂纹尺寸增量Δa的方法。形状比对管道疲劳扩展寿命的影响与初始裂纹尺寸有关。当裂纹尺寸扩展到一定值后继续增加,疲劳扩展寿命变化率并不大。所得结论为服役管道的安全性评估提供参考。

Q345/316L异种焊接接头的疲劳裂纹扩展速率研究

采用钨极惰性气体保护焊焊接Q345和316L钢板,并在接头不同区域处制备紧凑拉伸试样。通过疲劳裂纹扩展试验,采用柔度法原理得到裂纹长度和循环周次的关系,并绘制裂纹扩展速率和应力强度因子范围之间的关系曲线图,通过曲线拟合得到焊接接头各区域的Paris公式。结果表明:在裂纹扩展前期,各区域的疲劳裂纹扩展速率差异比较明显,Q345和316L母材的扩展速率最快,两侧热影响区焊缝的扩展速率最慢;在裂纹扩展后期,各区域的疲劳裂纹扩展速率大致相同。

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.

基于Zencrack的钛合金保载-疲劳裂纹扩展速率预报

对钛合金Ti-6Al-4V疲劳和保载-疲劳裂纹扩展行为进行数值模拟研究,获得不同保载时间对钛合金疲劳裂纹扩展行为的影响。利用Abaqus软件建立有限元模型,再利用Zencrack软件对保载-疲劳裂纹扩展过程进行数值模拟,得到不同保载时间下的保载-疲劳裂纹扩展速率以及裂纹扩展过程中的前缘形状、应力分布和扩展路径。结果表明:钛合金保载-疲劳裂纹扩展速率明显高于疲劳裂纹扩展速率,且随着裂纹长度的增加CT试件裂纹尖端的应力值逐渐增加。Zencrack软件数值模拟结果与试验结果吻合较好,说明该软件可用于疲劳和保载-疲劳裂纹扩展行为预报。

先进超超临界机组候选镍基617合金在超临界水中的腐蚀疲劳裂纹扩展速率试验研究

研究了先进超超临界机组候选镍基合金Inconel 617在650℃/25 MPa超临界水中的腐蚀疲劳裂纹扩展速率(CFCGR)。采用恒应力强度因子(K)法进行动态加载,采用直流电位降(DCPD)法对裂纹长度进行实时测量,并通过线性回归方法计算出每个条件下的CFCGR,探究了加载频率(1.00 Hz、0.10 Hz和0.01 Hz)和波形(正弦波、三角波和梯形波)对CFCGR的影响。结果表明:随着加载频率的升高,CFCGR降低,且CFCGR与加载频率之间满足对数线性关系;在3种频率下,正弦波和三角波加载对CFCGR没有明显影响,这种波形无关性在较广的频率范围内成立;梯形波与无保持时间的连续循环相比,具有更大的CFCGR。

应力比对EH36钢在海洋腐蚀环境中疲劳裂纹扩展速率的影响

EH36钢因强度高、低温韧性好、自重较轻等性能优势而被广泛应用于大型海洋平台。为评估在海洋腐蚀环境中改变应力比对EH36钢腐蚀疲劳性能的影响,采用三级应力比(R=0.1、0.3、0.5)分别开展了空气环境、海水全浸环境和海水浪溅环境中EH36钢的疲劳裂纹扩展试验。在同一应力强度因子幅值(ΔK)下,EH36钢在三种环境中均表现出应力比R升高对疲劳裂纹扩展速率d a/d N的加速作用。空气环境中应力比对裂纹扩展速率会产生较大影响,对材料常数C和m影响很小,但在海水全浸环境和海水浪溅环境中,应力比增大不仅促进了裂纹扩展,而且使材料常数C和m发生变化。载荷条件相同时,海水全浸环境和海水浪溅环境中的裂纹扩展速率明显大于空气环境中的裂纹扩展速率,两种腐蚀环境对疲劳裂纹扩展行为的作用效果基本一致。通过观察断口形貌发现空气中的试件断口形貌表现为准解理特征,海水全浸环境和海水浪溅环境中的CT试件断口形貌大致相同,更接近于解理断裂。

X12转子钢蠕变-疲劳裂纹扩展行为的研究

在600℃条件下进行蠕变疲劳裂纹扩展速率实验,施加不同的载荷和保载时间,研究力值和保载时间对蠕变疲劳裂纹扩展速率的影响,并通过金相检测观察裂纹扩展路径。结果表明:在低应力条件下,蠕变疲劳裂纹扩展速率随着保载时间缩短而增大;在高应力条件下,蠕变疲劳裂纹扩展速率随保载时间延长而减小;相对含有疲劳成分裂纹而言,蠕变裂纹的扩展路径显得更加圆滑。

钛合金室温保载—疲劳裂纹扩展预报方法及其对Ti-6242的适应性研究

文章在改进的McEvily疲劳裂纹扩展速率模型的基础上,提出了室温下钛合金保载-疲劳裂纹扩展速率预报公式。分析公式中应力比、保载时间、保载—疲劳循环最大应力对裂纹扩展速率的敏感性;利用该公式对钛合金Ti-6242的疲劳和保载—疲劳裂纹扩展速率进行预报,并与相应试验结果进行对比分析。结果显示:该预报公式对载荷循环中最大应力最为敏感,保载—疲劳裂纹扩展速率随最大应力呈指数增加;通过与试验对比,该公式对保载—疲劳裂纹扩展具有良好的预报能力。

改进的统一疲劳裂纹扩展速率预报模型对合金在常幅载荷下普遍适用性的研究(英文)

精确预报金属结构的疲劳对确保结构安全及指导结构设计与维修具有重要的意义。作者们基于McEvily模型提出了一个改进的统一疲劳裂纹扩展速率模型,其将疲劳裂纹扩展的三个扩展区域统一起来,并能解释更多的疲劳试验现象。文中对该模型进行了详细阐述,同时对模型参数的工程预报方法进行了讨论。为了进一步检验本模型的可靠性,还对不同载荷比下各种材料疲劳裂纹扩展率的预报结果与实验结果进行了对比,对比结果证明了该模型的准确性及其在常幅载荷下对不同材料的普遍适用性。

疲劳保载时间与固溶处理对PM René95合金高温裂纹扩展速率的影响

经不同固溶时效处理的 ＰＭ Ｒｅｎｅ９５合金于 ６５０℃分别在蠕变、保载 ５和 ９０ ｓ疲劳载荷条件下进行了裂纹扩展速率实验．结果表明，相同热处理制度下，疲劳保载时间越长，裂纹扩展速率越高；相同载荷条件下，增加一次高温固溶并缓冷，有利于降低合金的裂纹扩展速率，且固溶温度越高裂纹扩展速率越低；１２００℃一次固溶缓冷并于１１６０℃二次固溶热处理比１１４０℃一次固溶的裂纹扩展速率约降低一个数量级；基体晶粒尺寸适当加大，强化相粒子γｃ数量增加、形状趋于田字形，有利于降低裂纹扩展速率.

钛合金室温保载—疲劳裂纹扩展预报方法及其对IMI834的适应性研究（英文）

文章在考虑小裂纹效应的保载—疲劳裂纹扩展速率修正模型基础上,分析了保载时间对保载—疲劳裂纹扩展速率的影响,对模型中的保载时间项进行了修正,即保载—疲劳裂纹扩展速率随保载时间呈指数增加。利用修正后的模型对钛合金IMI834光滑试件的疲劳寿命和不同保载时间下保载—疲劳寿命进行预报,并将预报结果与相应试验结果进行对比分析,从而验证了修正后模型的可靠性。结果显示:保载—疲劳裂纹扩展速率对模型中保载时间参数η非常敏感,由此可以说明不同材料对保载时间敏感程度的不同;钛合金IMI834保载—疲劳寿命随保载时间增加呈指数降低,该模型对IMI834预报结果与试验结果吻合较好,因此该修正模型对钛合金IMI834保载—疲劳裂纹扩展行为具有良好的预报能力。

服役后API 5L X56钢腐蚀疲劳裂纹扩展速率试验研究

为研究服役后X56双层海底管道钢的疲劳裂纹扩展速率,对外层管上截取的标准紧凑拉伸试样分别在空气和海水环境下进行不同最大疲劳载荷(P max=9 kN,10 kN,12 kN)的疲劳裂纹扩展试验。与空气环境中CT试样的疲劳裂纹扩展速率相比,裂纹生长至15.38 mm时,9、10、12 kN载荷下海水环境中CT试样的疲劳裂纹扩展速率分别提高了1.82倍、1.54倍、1.43倍;随着裂纹扩展长度增大,外界载荷起主导作用,海水腐蚀的影响越来越小。综合分析最大疲劳载荷对疲劳裂纹扩展的影响,结果发现相同裂纹长度的前提下,疲劳载荷增加,应力强度因子幅值(ΔK)和疲劳裂纹扩展速率(d a/d N)增加,海水腐蚀影响逐渐减小。疲劳裂纹扩展试验中所施加的最大疲劳载荷对CT试样的疲劳寿命具有较大影响,对Paris常数的影响较小。扫描电镜下CT试样的疲劳断口均为穿晶型断裂。海水环境中CT试样的疲劳断口表现出更多的二次裂纹和更高的撕裂脊。随着最大疲劳载荷增加,解理断裂形成的解理台阶晶面面积和高度差逐渐增大,疲劳断口越粗糙,解理特征越明显。

钛合金疲劳裂纹扩展速率试验及预报方法

本文针对深海载人潜水器耐压壳用钛合金,开展疲劳性能试验研究,得到该类型钛合金的室温断裂韧性,载荷比R=0.1下的疲劳裂纹扩展门槛值及疲劳裂纹扩展速率,基于选用的疲劳裂纹扩展预报模型,对载荷比R=0.1下的钛合金疲劳裂纹扩展行为进行了预报研究。结果表明:在载荷比不变的前提下,应力强度因子范围是疲劳裂纹扩展速率的主要影响因素,应力强度因子范围的增加会导致疲劳裂纹扩展速率增加;考虑小裂纹效应的疲劳裂纹扩展预报模型可对钛合金的疲劳裂纹扩展行为进行准确预报。

基于弹塑性力学的疲劳裂纹扩展速率的研究

基于增量塑性理论定义的J积分,结合试验和计算机仿真方法,研究建立基于弹塑性力学的裂纹扩展速率的方法,通过与基于线弹性力学的裂纹扩展速率曲线比较,基于增量塑性J积分的裂纹扩展速率曲线很好地描述了材料断裂力学性能特征,验证了ΔJ积分作为裂纹扩展驱动力参量的合理性,为进一步研究探讨裂纹扩展机制提供研究基础,并基于7N01铝合金试验数据提出了一种简单归一化模型,考虑了应力比对裂纹扩展速率的影响,适用于工程实际中估算材料的疲劳裂纹扩展寿命。

不同应力比和腐蚀环境条件下X80钢疲劳裂纹扩展速率研究

在空气和不同浓度H_(2)S环境中对X80管线钢进行了应力比为0.1和0.3的低频腐蚀疲劳试验,以获得疲劳裂纹扩展速率da/dN与应力强度因子幅值ΔK之间的Paris表达式,研究X80钢在不同条件下的疲劳裂纹扩展速率。结果表明:腐蚀环境能加速X80钢的裂纹扩展,当H_(2)S浓度为100 mg/L时,含H_(2)S环境中裂纹扩展速率是空气中的2.9倍;随着H_(2)S浓度的增大,裂纹扩展速率呈指数增大;随着应力比的增大,平均应力增大,裂纹闭合效应减小,裂纹尖端完全张开,材料与腐蚀介质接触面积增大,导致裂纹扩展速率增大。