10CrNiMo结构钢悬臂弯曲加载低周疲劳表面裂纹的扩展特性

通过COD位移规控制悬臂弯曲加载试样表面裂纹前缘的应变,采用逐级递增应变的试验方法,研究了10CrNiMo结构钢的低周疲劳表面裂纹的扩展特性,并用扫描电镜对断口形貌进行了观察。结果表明:表面裂纹扩展速率与裂纹前缘总应变范围之间满足良好的幂律关系;裂纹源附近出现轮胎花样,裂纹扩展初期挤压严重,扩展中期发现较多的二次裂纹,扩展后期疲劳辉纹清晰可见,最后断裂区具有典型的韧窝;裂纹按照锐化-钝化机制扩展,最后断裂模式为韧性断裂。

800MPa级钢悬臂弯曲加载低周腐蚀疲劳表面裂纹扩展特性研究

在悬臂弯曲加载方式下,研究了800MPa级10CrNiMo结构钢在3.5%NaCl水溶液中的低周腐蚀疲劳表面裂纹扩展特性,采用金相显微镜、扫描电子显微镜及X射线能谱仪观察并分析了腐蚀疲劳试样断口,与空气中相同加载方式下该材料的低周疲劳表面裂纹扩展速率进行了比较,结果表明,在表面裂纹扩展初期,在3.5%NaCl水溶液中的表面裂纹扩展速率较空气中的快,但随着总应变范围的增加,这种快的趋势在逐渐减小,当总应变范围达到约1%时,在两种环境中的表面裂纹扩展速率基本相当;在表面裂纹扩展的后期,裂纹内部聚集了大量的腐蚀产物,该腐蚀产物主要为铁的氧化物,氧化物的存在增加了裂纹扩展的闭合效应,减缓了表面裂纹的扩展。

悬臂弯曲加载表面裂纹扩展速率试验中各参量的变化规律

在悬臂弯曲加载方式下,采用逐级递增的六级名义应变控制模式,完成了三件10CrNiMo钢试样的低周疲劳表面裂纹扩展速率试验。试验数据处理结果表明:在每级名义应变控制下,位移和载荷的峰谷值是基本保持不变的,但随着名义应变级别的增加,位移和载荷的均值存在向负向增大的趋势;而在低名义应变级别控制下,应变峰谷值的变化规律和位移与载荷的峰谷值的变化规律相似,但随着名义应变级别的增加,应变的峰谷值和均值均存在向正向增大的趋势。分析认为,产生上述现象的原因主要和试样表面的残余应变有关。

悬臂弯曲加载低周疲劳表面裂纹扩展路径的曲折性研究

通过悬臂弯曲加载方式,采用逐级递增的六级名义应变水平作为控制模式,完成了四件试样10CrNiMo钢的低周疲劳表面裂纹扩展速率(SCPR)试验。试验发现,在每级名义应变水平控制下,SCPR整体上趋于某一稳定值,但局部裂纹扩展出现时快时慢现象,在低名义应变水平控制下尤为明显。对上述现象进行了分析,结果表明:出现局部裂纹扩展不稳定的原因是由于表面裂纹扩展的路径呈现转折和分叉的曲折性特征,转折和分叉通常会降低表面裂纹的扩展速率,但有时也会加速表面裂纹的扩展。

悬臂弯曲加载方式的应变控制方法研究

本文将COD位移规引进悬臂弯曲加载方式,从而替代传统的应变片实现裂纹前缘的应变控制。借助有限元数值模拟,研究了COD位移规装卡刀口的位置和形状对悬臂弯曲加载试样(GROSS试样)本身对称性的影响。结果表明:COD位移规装卡刀口开度越大,刀口造成的监控点应变非对称畸变越小;而装卡刀口宽度一定时,监控点应变对称性受到的扰动强度随COD位移规装卡刀口尖端角度的减小而降低。考虑到现有COD位移规量程及装卡的稳定性,最终选择实际试样中COD规装卡刀口宽度为10 mm,刀口尖端根部取15°。通过COD规进行应变控制试验时,其装卡刀口相对位移-监控点应变遵从线性关系,因此,这种悬臂弯曲加载方式应变控制方法的改进是合理可靠的,且控制稳定,操作简单。

悬臂弯曲加载表面裂纹扩展长度与深度的关系研究

本文根据10CrNiMo高强钢的材料常数C、m,按照Cycle by Cycle方法的计算流程,采用Newman-Raju公式和Paris公式,分别计算了悬臂弯曲加载方式下表面裂纹扩展沿长度和深度方向上的应力强度因子范围△K,得到了裂纹扩展长度与深度的关系及其裂纹扩展速率。通过与试验结果的对比,分析了理论计算可能出现的误差,并对Newman-Raju公式进行了修正。结果表明,公式计算所得表面裂纹扩展趋势和裂纹扩展速率趋势与试验结果是一致的,且修正后的Newman-Raju公式在裂纹扩展形貌和扩展速率方面与试验数据拟合曲线都可以较好吻合。采用修正后的Newman-Raju公式,还可以很好地对具有不同初始裂纹形状试样的表面裂纹扩展情况进行预测。

悬臂弯曲加载10CrNiMo钢的S-N曲线试验研究

采用有限元方法,计算了在悬臂弯曲加载方式下,不同载荷作用时板状光滑试样施力点处的挠度;采用成组试验法,通过载荷控制模式,进行了应力比为-1时10CrNiMo钢的S-N曲线试验,并对试样断口进行了观察和分析。结果表明:在试验载荷范围内,所设计试样施力点处的挠度变化,在试验机作动器的有效行程内,可满足S-N曲线试验,通过试验获得了两种常用置信度下10CrNiMo钢的S-N曲线;在大载荷往复作用时,表面裂纹从试样上、下两个表面萌生并扩展所形成的面积基本相当,但在小载荷循环作用下,表面裂纹通常先从试样的一个表面萌生并扩展,当裂纹扩展至一定程度时,试样另一个表面才开始萌生疲劳裂纹,并协同前一表面的裂纹共同扩展至试样断裂。产生这种现象的原因,和不同大小的载荷开动试样上下两个表面材料内部滑移系的数量、材料内部组织的不均匀性,以及裂纹在扩展过程中前缘应力状态的变化有关。

悬臂弯曲加载表面裂纹长度与施力点位移的相关性研究

在悬臂弯曲加载方式下,采用五件带缺口光滑板状试样,通过循环载荷控制模式,研究了表面裂纹长度2c与试样施力点位移的相关性,结果表明:表面裂纹长度与施力点位移的谷值无相关性,但与施力点位移的峰值DP具有明显的相关性,即在表面裂纹扩展初期,DP几乎不发生变化,但随着表面裂纹的进一步扩展,DP开始增加,在表面裂纹扩展的后期,DP显著增加;在表面裂纹扩展的中后期,2c与DP满足递增多项式关系。根据2c与DP的函数关系,可为实现复杂环境条件下表面裂纹长度的自动化测量提供依据。

悬臂弯曲加载金属材料疲劳损伤的测量方法研究

基于损伤力学理论,提出了一种金属材料疲劳损伤测量的新方法。即采用光滑板状试样,通过悬臂弯曲加载方式,以10CrNiMo钢为对象,研究金属材料疲劳损伤与其宏观参量——施力点位移特征量的相关性。研究结果表明,金属材料的疲劳损伤与其施力点位移特征量峰值满足特定的函数关系。据此,可以通过监测施力点位移特征量峰值的变化,来间接测量金属材料的疲劳损伤,并和相同加载条件下该材料的疲劳损伤临界值进行比较,从而为金属材料的安全服役和剩余寿命评估提供依据。

悬臂弯曲加载试验机的设计及其应用

压力容器、桥梁结构、海洋工程结构等在服役过程中经常会在弯曲应力作用下发生失效,因此,研究上述结构的材料或构件在弯曲应力作用下的力学行为具有重要意义。悬臂弯曲加载方式不仅可以产生一个弯曲应力,而且可以通过调长力臂长度,使得只须在试样施力端施加一个很小的力,就能够在试样的最大弯矩附近产生一个甚至可以超过材料屈服强度的应力,对试验机的载荷容量要求不高,因此,在试验领域应用前景广阔。本文根据悬臂弯曲加载方式的特点,从试样的施力端夹具、约束端夹具、力臂调节装置、试验机作动器抗偏心能力、机架刚性等方面进行分析、探讨和设计,并以10Cr Ni Mo结构钢为研究对象,介绍了在该加载方式下的试验应用,包括材料及构件的高低周疲劳、低周疲劳表面裂纹扩展速率,以及材料及构件的静态拉伸或压缩性能等试验。

表面裂纹在不同控制模式下的扩展特性

在应变、载荷和位移三种控制模式下,采用Gross板状试样,研究了10CrNi5Mo高强钢在悬臂弯曲加载方式下低周疲劳表面裂纹扩展特性,研究结果表明:表面裂纹扩展速率d(2c)/dN在位移和载荷控制模式下差别不大,且都高于应变控制模式;三种控制模式都可以用裂纹前缘名义总应变范围ΔεT作为统一参量来描述表面裂纹疲劳扩展速率,且表达式与Paris公式类似,均满足幂函数规律;试验中通过不断调整载荷或位移的大小来保证应变恒定,会增加试验的操作难度和工作强度。