微孔洞在材料表面的深度变化对应力集中及疲劳裂纹萌生的影响规律研究

采用线弹性有限元法模拟分析了微孔洞相对材料表面深度的变化对应力集中及疲劳裂纹萌生的影响,研究结果表明:微孔洞直径尺寸大小仅影响相应的应力集中分布区域的大小,而微孔洞相对材料表面深度的位置决定了其最大应力集中系数的大小。当微孔洞处于材料表面下并与表面相切时,应力集中系数达到最大值,当微孔洞相对材料表面深度的位置偏离此位置时,应力集中系数急剧下降。研究结果合理解释了实验中观察到的疲劳裂纹在微孔洞处萌生现象,即疲劳裂纹优先在与样品表面相切上半部的微孔洞上萌生,尤其在样品表面下且与表面相切的微孔洞处。

非金属夹杂物对材料内局部应力集中的影响

疲劳裂纹萌生经常发生在材料中气孔、夹杂等各种微观结构不连续区域,是一种高度局部化过程。分别考虑受单调拉伸和循环拉压载荷条件,利用有限元法研究夹杂物周围的局部力学行为,分析夹杂性能、位置、多夹杂、循环塑性对局部应力集中的影响。在模拟中,金属基体定义为弹塑性材料,材料本构采用各向同性-随动硬化混合模型,夹杂模拟为各向同性线弹性材料。结果表明,夹杂与基体弹性模量的差别越大,产生的局部应力集中越大,软夹杂导致的应力集中大于硬夹杂;多夹杂引起的应力场强化作用与夹杂排列方向和加载方向有关;循环硬化导致气孔周围应力集中增大,对硬夹杂周围应力集中几乎没有影响;高应力水平下,近表面气孔的应力应变集中系数Kg较大,低应力水平下内部气孔处Kg较大,表明疲劳裂纹易于萌生。

疲劳裂纹萌生机制

对于高强度钢和合金来讲,疲劳裂纹萌生是疲劳破坏的最重要组成部分。在高周次疲劳时,宏观裂纹萌生寿命(N_i)与裂纹扩展寿命(N_f)之比(N_i/N_f)大于90％,在低周次疲劳中N_i/N_f也大于50％。疲劳裂纹萌生与结构设计、材质、制造工艺及使用环境等因素有关。疲劳裂纹源的分析应包括力学分析、断口分析、金相分析和表面状态分析诸方面。确定裂纹萌生的性质、原因和条件是解决构件早期疲劳断裂的前提。

航空导管弯曲试验的疲劳裂纹萌生寿命

飞行器液压导管受接头和卡箍等约束,在使用的振动环境中,会因弯曲应力而导致破裂,影响到飞行安全.本文对飞行器液压系统通用的不锈钢导管的裂纹萌生寿命进行了试验研究.首先在对8 mm、12 mm无缺陷导管和含U型缺口8 mm导管的疲劳试验和有限元分析的基础上,得到了导管的最大拉应变-裂纹萌生寿命数据.然后采用基于强度极限和弹性模量估算法的Manson-Coffin公式来预测导管裂纹萌生寿命.最后引入加载类型修正系数、表面质量修正系数、试样尺寸修正系数、应力集中敏感系数和有效应力集中系数,使修正后的公式对三种类型的导管均有较好的裂纹萌生寿命预测精度.

含夹杂物轴承钢中裂纹的萌生与扩展

针对轴承钢中夹杂物周围应力集中导致的疲劳剥落,建立了一种结合连续损伤力学的内聚力模型,用于模拟滚动接触循环加载下的裂纹萌生与扩展。基于内聚力模型的损伤起始准则和损伤演化规律,利用VUMAT子程序结合连续损伤力学构造了新的损伤演化方式,实现循环加载下的损伤累积,建立了基于内聚力模型的疲劳损伤累积失效模型,对含夹杂物模型的疲劳裂纹萌生与扩展进行了模拟,并研究了载荷条件和接触区摩擦因数对裂纹萌生与扩展以及疲劳寿命的影响。研究结果揭示了微观裂纹的萌生与扩展过程,为认识滚动接触疲劳提供了基础。

钢结构疲劳裂纹发展对磁记忆信号变化的影响机制研究

金属磁记忆检测技术是目前唯一可以检测出裂纹萌生阶段应力集中状态的无损检测技术,因此很有必要研究疲劳裂纹的发展对磁性号的影响机制.利用磁记忆信号对疲劳损伤进行诊断和预防,就具有非常重要的理论意义及工程实用价值.分析了裂纹损伤发展过程的应力状态、能量转化方式以及磁导率的变化情况,然后从微观角度分析这些因素对磁矩、磁畴以及磁荷产生的影响,从而揭示了疲劳裂纹发展对磁信号的影响机制.

25Cr2Ni2MoV钢焊接接头的超高周疲劳特性

对25Cr2Ni2MoV钢焊接接头开展常温拉压条件下的超高周疲劳试验,并对失效试样进行断口分析,研究焊接接头的疲劳失效机理。结果表明,疲劳寿命曲线呈现阶梯状:在高应力短寿命区,疲劳断裂发生在试样母材区较多,多为表面或次表面夹杂物裂纹萌生;在低应力长寿命区,疲劳断裂发生在试样焊缝区较多,多为内部气孔裂纹萌生。断口分析发现:缺陷(裂纹源)尺寸较小或者越靠近试样内部,疲劳寿命越长,且较小缺陷同内部较大缺陷具有相似的裂纹萌生潜力。通过有限元模拟疲劳试样内部微缺陷处的应力分布得出,焊缝区气孔和夹杂物周围的应力集中程度大于母材区夹杂物。结合断口分析发现,母材区弥散分布的粒状颗粒夹杂物数量较多,并且聚集起来会形成更大的缺陷,相比焊缝区夹杂物更容易萌生疲劳裂纹。

转向架用SMA490BW钢焊接接头超高周疲劳性能

采用超声疲劳试验方法对SMA490BW钢焊接接头的超高周疲劳性能进行研究,通过X射线应力仪对焊接试样残余应力进行测试,采用扫描电镜对疲劳裂纹的萌生、扩展及疲劳断裂机理进行观察和分析.结果表明,SMA490BW钢母材的疲劳性能远高于焊接接头,在1×108循环周次条件下,接头的疲劳强度为141 MPa,仅为母材的44.2%.接头裂纹主要萌生于焊趾表面缺陷处,疲劳断裂机理表现为准解理断裂,并伴有塑性变形痕迹.焊趾处几何不连续造成的应力集中和焊缝及其附近区域一定的残余拉应力,以及接头各微区组织和性能的不均匀性,是导致焊接接头疲劳性能偏低的主要原因.

曲轴用非调质钢38MnVS失效分析

曲轴用非调质钢38MnVS在大样疲劳试验时发生断裂,对断裂部位进行显微组织分析、扫描分析、淬硬层分析等,结果表明:失效部位为疲劳失效,曲轴淬硬层组织为马氏体组织,淬硬层无明显异常硬度点,淬硬层深约为5.5 mm,曲轴拐角处和打字号处应力集中明显造成裂纹的萌生,油管处存在粗大晶粒,与基体组织连续性差,在弯矩和扭矩的共同作用下应力集中而造成裂纹源的萌生。

某核电站汽轮机旁排阀紊流罩开裂原因

采用断口形貌观察、化学成分测试、显微组织分析及力学性能测试等方法对某核电站汽轮机旁排阀紊流罩的开裂原因进行了分析。结果表明:该紊流罩的开裂形式为疲劳脆性开裂;材料化学成分不符合标准使其强度降低,安装时紊流罩上端面的定位孔没有对中,工作时气流通过产生的磨损及震动使得该处应力集中较大,导致裂纹在紊流罩的外侧凸缘表面萌生;在长期循环热应力作用下,裂纹沿最小承载力的截面扩展,最终紊流罩开裂。建议采取材料复验措施,减少不合格材料的流入,对安装过程严格要求,避免定位不中,减小磨损及震动引起的应力集中。

坑蚀钢筋疲劳寿命预测的等效表面缺陷模型

有效预测坑蚀钢筋的疲劳寿命是一个复杂且与工程实践相关的问题,基于已有试验和理论研究成果提出了预测坑蚀钢筋疲劳寿命的等效表面缺陷模型。综合考虑锈坑长度、宽度和深度对应力集中系数的影响,提出锈坑处应力集中系数修正公式。考虑裂纹萌生寿命、短裂纹扩展寿命和长裂纹扩展寿命,将钢筋锈坑通过锈坑深宽比和长宽比等效为钢筋表面初始缺陷;利用具有表面缺陷钢筋的疲劳寿命计算公式,结合应力集中系数的影响,预测坑蚀钢筋的疲劳寿命。利用试验数据对模型参数进行回归,分别预测了带有半椭圆形锈坑和三角形锈坑的钢筋的疲劳寿命,疲劳寿命预测值与试验值吻合较好,从而验证了所提出的坑蚀钢筋疲劳寿命预测模型的正确性。