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。

力学性能非对称焊接接头疲劳裂纹扩展规律

研究了硬对软（ＣＳ）、软对硬（ＣＨ）和软硬中（ＳＨＭ）三种典型的力学性能非对称焊接接头疲劳裂纹扩展规律．结果表明：力学性能非对称性对焊接接头的疲劳裂纹扩展规律有很大影响．起始裂纹在软区的硬对软力学性能非对称焊接接头，起始裂纹越靠近硬区，疲劳裂纹扩展速率越快；起始裂纹在硬区的软对硬力学性能非对称焊接接头，起始裂纹越靠近软区，疲劳裂纹扩展速率越慢；起始裂纹在硬区的软硬中力学性能非对称焊接接头，硬夹层宽度越窄，疲劳裂纹扩展速率越慢．

基于近场动力学的钛合金TC4材料疲劳裂纹扩展建模

为了更准确地预测钛合金TC4材料在循环载荷下的疲劳裂纹扩展行为,提出了一种基于近场动力学理论的新型预测模型,首先在近场有限半径内构建了物质点损伤模型,用以模拟裂纹的产生及其扩展过程;通过建立“键”的塑性变形损伤模型,深入分析了疲劳裂纹的萌生和扩展机制,为提升模型的预测效率和稳定性,引入了物质点临界损伤因子这一关键参数;并采用了改进的自适应动态松弛方法,该方法在每个加载循环中都能获得静力解,并通过对不同载荷条件下的裂纹扩展结果进行收敛性分析,进一步验证了模型的可靠性。实验结果表明,所提出的基于近场动力学理论的疲劳裂纹扩展预测模型,可以准确地预测裂纹的萌生位置和扩展速率;模型预测的疲劳寿命与实验数据呈现出良好的一致性,该模型在钛合金材料疲劳裂纹扩展预测方面具有有效性和实用性。

裂纹起始扩展阻力J_i与基本力学性能的关系

韧性裂纹开始扩展的J积分值对于韧性断裂的工程构件是一个重要的材料性能指标。统计了三个钢种两种焊缝 2 0 0多个J积分值。发现当裂纹生长量Δa <0 .6mm时 ,Δa与J积分值存在线性关系 ,可以用J =J0 +K(Δa)表示 ,式中K =di dΔa(Δa =a0 +da) ,a0 是J—Δa曲线与钝化线的交点。当da =0时的J值以Ji 表示 ,它表示了韧性裂纹开始扩展时的J积分值。实验证明 ,只有Ji 与静拉伸发生颈缩时的颈缩比功有良好的线性相关性 ,从而由Ji 换算得KⅠC也应与颈缩比功线性相关 (相关系数 >99% ) ,而与静力韧度无关。而韧性裂纹开始扩展以后 ,各个扩展量下的JR 值与静力韧度、颈缩比功无任何相关性。从J积分的条件、裂纹尖端的特征、断裂的微观机理对试验结果进行了分析。从工程应用角度出发 ,说明Ji 与屈服强度与强度极限之比 (称屈强比 )无关 ,低屈强比不是保证缺陷 (或微裂纹 )抵抗其扩展的有效方法 ,有效的方法是提高强度的同时 ,不降低均匀塑性变形能力Ψb,这可以通过提高冶金质量如细化晶粒来实现。

金属表层梯度微结构对力学性能和裂纹扩展的影响

表层梯度结构广泛应用于工程材料,经表面强化技术处理后,零件表层结构呈梯度分布,可以改善零件的服役能力。综述了金属表层梯度微结构对力学性能和裂纹扩展的影响,从微观结构和力学性能的角度,结合非均匀材料中裂纹的扩展行为,考虑了微结构和力学性能之间的相互影响规律,分析了梯度结构中影响裂纹扩展的因素。经表面强化后,材料表面晶粒细化,晶粒尺寸沿纵深方向呈现梯度分布,改变裂纹萌生位置,同时对裂纹扩展起到阻碍,使零件疲劳寿命延长。梯度结构中金相组织由表层单一组织到芯部多相组织的转变,引起表层硬度和残余压应力向纵深方向逐渐减小,表面压应力可以减弱外力的作用,从而影响疲劳寿命。然而,梯度结构中微观组织和力学性能互相关联,像晶粒和位错能改变残余应力的分布,也会对裂纹扩展路径产生影响,如何定量表征他们的影响还有待进一步研究。

2198-T8铝锂合金多轴疲劳性能及裂纹扩展行为

对2198-T8铝锂合金薄壁管状试样在不同加载条件下进行了拉扭复合疲劳裂纹扩展试验。结果明,随着裂纹扩展阶段的等效应力幅降低,试样的多轴疲劳寿命升高。当应力幅比升高时,多轴疲劳寿命降低,轴向应变变大,扭向应变变小,扭向应变集中滞后于轴向应变集中。结合数字图像相关技术,拟合疲劳裂纹扩展速率模型,并采用两种临界平面模型对裂纹扩展方向进行预测,其中最大正应力平面对裂纹扩展方向的预测效果最好。随着应力幅比的升高,裂纹扩展区微观形貌由磨损形貌变为磨损与疲劳条带共存的形貌,裂纹扩展模式由II型变为I+II型,最终变为以I型为主。

焊缝形状和焊趾工艺处理对T形接头不同裂纹扩展疲劳性能的影响

以T形接头的不同焊缝形状和焊趾工艺处理TIG重熔为研究对象,在不同滑开型和张开型裂纹加载工况下,采用疲劳试验机进行未满焊和满焊接头疲劳试验,分析其疲劳性能。结果表明,在滑开型裂纹加载和张开型裂纹加载下,满焊和未满焊T形接头疲劳断裂位置均发生在熄弧位置;TIG重熔接头疲劳断裂位置发生在焊趾和焊根位置。在滑开型裂纹加载,循环周次为2×10^(6)(50%存活率S-N曲线)的疲劳强度下,未满焊T形接头疲劳强度比满焊试件的低16.6%;未满焊T形接头的疲劳寿命比满焊接头的疲劳寿命低72.6%。在张开型裂纹加载下,未满焊T形接头疲劳强度比满焊试件的高29.8%;未满焊T形接头的疲劳寿命比满焊接头的疲劳寿命高274.6%。在张开型裂纹加载下,TIG重熔T形接头疲劳强度比未满焊试件的低30.5%;TIG重熔T形接头的疲劳寿命比未满焊接头的疲劳寿命低60.2%。TIG重熔未能达到预期提升疲劳寿命效果。

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。

混凝土冲击拉伸力学性能及裂纹扩展试验研究和数值模拟

为真实反映混凝土材料劈裂拉伸力学性能,基于应变片法采用分离式霍普金森压杆对混凝土平台巴西圆盘试件进行了劈裂拉伸试验,研究了不同加载角对试件起裂方式及破坏模式的影响,并对试件破坏过程进行了扩展有限元模拟,同时与试验结果进行了对比分析,得到用于测试混凝土拉伸力学性能的最优加载角.基于此得到动态劈拉下3种不同强度混凝土的劈裂拉伸应力-径向应变曲线及抗拉强度、极限应变、拉伸敏感系数等参数的应变率效应.结果表明:20°加载角可以保证圆盘在中心起裂,用于测试混凝土劈裂拉伸性能最为可靠.在高应变率下,混凝土动态力学参数均具有明显的应变率效应,裂纹沿试件受力方向扩展、贯通直至试件沿加载直径方向劈裂为两半,破坏面表现为骨料破坏,与数值模拟结果一致.

石墨烯-碳纳米管/WC陶瓷刀具材料的裂纹扩展与力学性能预报模拟

计算机模拟技术的迅猛发展,为陶瓷刀具材料的性能预报和高通量制备提供了理论和技术支持。本文基于Python软件构建含有石墨烯(graphene,缩写为G)和碳纳米管(carbon nanotube,CNT)的WC陶瓷刀具材料微观结构的参数化模型与力学性能预报模型,研究G-CNT对WC刀具材料微观组织与裂纹扩展行为的影响规律。结果表明:与单一G相比,三维G-CNT空间结构可进一步提升WC陶瓷刀具材料的性能,G-CNT的质量分数为0.4%时,刀具材料的综合力学性能最优。强韧化机理主要包括G-CNT强弱界面超混杂分布、材料断裂模式转变和裂纹偏转等。

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.

钢桥复杂构造疲劳裂纹跨尺度扩展与寿命预测

针对传统宏观唯像学方法无法描述钢桥疲劳损伤由微观到宏观的多尺度演化过程的问题,建立了可描述钢桥复杂构造疲劳裂纹跨尺度扩展与寿命预测方法.首先,结合微观晶体塑性本构模型,建立了以能量耗散理论为基础的微观短裂纹成核与扩展模型.同时,结合线弹性断裂力学,建立了宏观长裂纹扩展模型.在此基础上,以钢桥典型的纵肋与顶板焊接构造细节为研究对象,结合既有疲劳试验,模拟并验证了微观短裂纹的成核、扩展,以及宏观长裂纹扩展全过程.数值模拟结果与试验结果基本一致,表明所提出的疲劳裂纹跨尺度扩展与寿命预测方法对于钢桥复杂构造细节疲劳损伤演化与评估具有较好的适用性.

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.

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.

基于Lamb波损伤特征融合模型的金属结构件疲劳裂纹扩展预测

针对动态载荷环境下机械装备金属结构件疲劳裂纹扩展延伸问题,提出一种基于Lamb波损伤特征融合的疲劳裂纹扩展预测模型。首先从Lamb波信号传播特性出发,分析对比对称模式下Lamb波损伤信号和基准信号传播过程中的特性变化,在此基础上提取能够敏感表达结构损伤的相关系数和相位差异特征,通过变量标准化变换后进一步构建出疲劳裂纹扩展预测模型,最后利用金属结构件全寿命周期疲劳实验数据对模型进行验证。结果表明:所提模型能够准确预测动态载荷环境下疲劳裂纹扩展过程,与其他预测模型相比优势明显,可为机械装备关键结构件合理检修计划制定提供一定参考借鉴。

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。

残余应力作用下的焊接接头疲劳裂纹扩展与寿命预测

为了探究焊接残余应力对不同初始角度疲劳裂纹扩展的影响,采用热弹塑性有限元方法计算焊接残余应力,结合线弹性力学和Paris公式计算应力强度因子和裂纹深度达到1 mm时的疲劳寿命和裂纹扩展速率。研究结果表明:随着裂纹初始角度增加初始应力强度因子不断减小,裂纹扩展过程中应力强度因子逐渐增大,然后保持稳定;初始角度为90°的裂纹的疲劳寿命最短,同时由于其表面长度较短,难以发现,需要特别警惕;裂纹深度达到临界尺寸时,初始角度为0°的裂纹扩展形态为椭圆形,随着初始角度的增加扩展形态向圆形过度;随着裂纹的扩展,焊接残余应力的影响不断减弱,不同初始角度裂纹的扩展速率的差别不断减小,最终趋于稳定;残余应力与外载荷共同作用会使裂纹扩展速率显著提高;结合计算结果给出了减少焊接残余应力提高疲劳寿命的工程建议,可以对压力容器等焊接结构件的设计提供有益的参考。

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。

孔洞对疲劳裂纹扩展路径的影响

为了研究孔洞位置和尺寸对疲劳裂纹扩展路径的影响,利用ABAQUS有限元仿真软件建立改进CT试样的裂纹扩展仿真模型,采用扩展有限元法研究了在低周疲劳加载条件下Q235钢圆孔与裂纹尖端的角度、距离以及圆孔半径对裂纹扩展路径的影响,并通过引入裂纹偏转系数来定量描述不同参数对裂纹扩展路径偏转程度的影响。结果表明:当圆孔与裂纹尖端的夹角为45°时,裂纹偏转系数取得最大值;裂纹偏转系数随着孔洞半径的增加逐渐增大,随着圆孔与裂纹尖端距离的增大逐渐减小。