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。

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。

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。

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。

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.

微观组织对钛合金扩散连接层合板疲劳裂纹扩展行为的影响

采用扩散连接技术制备了TA2/TA2/TA2层合板。通过引入Ti55异质层制备了TA2/Ti55/TA2异质层合板。通过疲劳裂纹扩展试验,比较了两种层合板的疲劳寿命,研究了异质层对层合板疲劳裂纹扩展行为的影响。通过SEM和EBSD微观分析方法,揭示了异质层对层合板疲劳裂纹扩展行为的影响机理。异质层合板的疲劳裂纹扩展寿命是同质层合板的1.65倍。裂纹尖端从TA2层进入TA2/Ti55界面时,疲劳裂纹扩展速率降低了53.1%。界面壁垒增加、疲劳裂纹尖端塑性区尺寸减小和晶粒择优取向弱化均延缓了疲劳裂纹扩展速率的增速。

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。

添加0.09 wt%钒对Al-Zn-Mg合金疲劳裂纹扩展的影响

本文以添加0.09 wt% V含量的Al-Zn-Mg合金为对象,对比研究了添加V元素对Al-Zn-Mg合金的疲劳裂纹扩展速率的影响。通过扫描电镜表征了疲劳裂纹扩展各个阶段的裂纹扩展路径。结果表明,添加0.09 wt% V含量的Al-Zn-Mg合金的疲劳裂纹扩展速率高于不添加V的Al-Zn-Mg合金。通过分析疲劳裂纹扩展路径的SEM结果发现,不添加V的疲劳裂纹扩展路径更加曲折。同时,在添加0.09 wt% V含量的Al-Zn-Mg合金中观察到了两种不同类型的含V相对裂纹扩展的影响,V含量高的第二相对疲劳裂纹扩展具有阻碍作用。V的添加加快了Al-Zn-Mg合金的疲劳裂纹扩展。

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。

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。

晶须增强金属基复合材料疲劳短裂纹扩展速率

利用等效夹杂理论及能量释放率导出了金属基复合材料短裂纹疲劳扩展速率，公式中考虑了晶须及裂纹前端塑性区对裂纹的影响，并给出了等效裂纹长度公式。将理论结果同实验结果进行了比较，吻合得较好；分析了短裂纹扩展规律，指出晶须对裂纹扩展的作用及在裂纹越过晶须一段距离后，可以认为晶须已经失去增强作用。

颗粒尺寸对SiC_P/Al复合材料疲劳裂纹扩展速率的影响

研究了轴向载荷下,对3种S iC粒子(5,20和60μm)增强的2024铝合金复合材料疲劳裂纹扩展速率及颗粒尺寸的影响。复合材料疲劳裂纹扩展速率随颗粒尺寸增加而减小。去除裂纹闭合影响后,3种复合材料间疲劳裂纹扩展速率差消除了,但是复合材料的裂纹扩展速率低于2024铝合金的。

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。

高产气井油管用13Cr-L80钢的腐蚀疲劳裂纹扩展行为

用复合磷酸盐完井液对取自13Cr-L80钢油管的紧凑拉伸试样进行预腐蚀处理,再进行疲劳裂纹扩展试验,通过分析疲劳裂纹扩展区形貌,研究了应力比(0.05~0.25)、加载载荷(10~14 kN)和载荷频率(0.6~1.8 Hz)对腐蚀疲劳裂纹扩展行为的影响。结果表明:随应力比增大,疲劳裂纹扩展区二次裂纹数量增多,13Cr-L80钢的裂纹扩展速率增大;随加载载荷增大,疲劳裂纹扩展区二次裂纹数量减少,裂纹扩展速率减小;载荷频率越高,疲劳裂纹扩展区二次裂纹数量越少,但裂纹尖端应变速率增大,裂尖变形更充分,导致裂纹扩展加快,试验中止时的循环次数减少。

喷丸强化对车辆传动齿轮裂纹扩展影响的研究综述

疲劳断裂是重载车辆传动齿轮的主要失效形式之一,齿轮底部疲劳裂纹的扩展将缩短车辆传动系统的服役寿命,严重时会导致车辆发生安全事故。延缓裂纹扩展的主要方法是在传动齿轮的表面引入一定大小的残余压应力。喷丸技术是一种冷加工表面强化处理工艺,该技术利用高速弹丸冲击材料表面,使零件表层产生塑性应变的同时,在表面和内部引入残余压应力,从而使裂纹闭合的能力得到强化,达到延缓裂纹扩展的强化效果。为了更好地揭示喷丸引入的残余压应力对疲劳裂纹扩展的影响,首先综述了传动齿轮表面疲劳裂纹产生的原因以及疲劳裂纹的扩展行为对重载车辆服役的影响。从强度因子、J积分以及裂纹闭合效应出发,介绍了传动齿轮表面疲劳裂纹扩展的理论以及残余压应力与疲劳裂纹扩展速率之间的关系。其次概述了目前国内外常用的新型有益于将残余拉应力转化为残余压应力的微粒子喷丸、激光喷丸、超声喷丸方法,并与传统机械喷丸技术相比较,阐述了新型喷丸表面强化技术的优缺点。此外,从数值模拟和试验结果两方面,论述了喷丸速度、喷丸角度、弹丸直径、弹丸材质和覆盖率5个工艺参数对在传动齿轮表面引入残余压应力的改善影响。最后对喷丸强化技术在传动齿轮上的多目标参数优化以及多尺度残余压应力与疲劳性能进行了展望,并结合重载车辆的使用需求,强调需要创新设计一种效率高、价格低、适用性广的喷丸技术,以进一步推动喷丸强化在延缓疲劳裂纹扩展方面的持续发展。

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。