轮斗减速机输入轴低应力旋转弯曲疲劳断裂原因分析

某电厂2号轮斗减速机输入轴在运行了7 590 h后断裂,通过断轴的宏观形貌、化学成分、机械性能、金相组织和扫描电镜及能谱结果进行了分析。发现该轴中硫元素严重超标,并在基体上可见大量硫化物,且在应力作用下硫化物与基体发生脱落,从而得出该轴断裂的原因是由于硫化物,在轴高速旋转产生离心力和液力耦合器自重形成的弯曲应力综合作用下,进一步形成孔洞,并诱发微裂纹,从而导致发生了低应力旋转弯曲疲劳断裂。

变速周向低应力弯曲断裂下料初始工艺参数的确定

针对当前金属棒料下料技术存在下料断面质量差、下料效率低、污染重等问题,提出一种变速周向低应力弯曲断裂下料方法,并论述其下料机理。利用ANSYS软件,对下料机中柱状锤头的初始径向压下量进行数值计算;给出棒料夹持位置参数的合理取值和进给套筒移动速度的计算公式。研究内容为进一步研究低应力弯曲精密下料奠定理论基础。

TC4-DT钛合金的室温高周疲劳断裂特点

在不同应力比(0.5,-1)下对损伤容限型TC4-DT钛合金进行室温高周疲劳试验,对比分析了不同疲劳寿命下光滑试样与缺口试样的典型断口中的宏微观特征。结果表明:光滑试样疲劳断口整体粗糙,类解理特征不明显,但疲劳条带清晰,裂纹源主要为单源,瞬断区多呈月牙形,均位于断口一侧边缘;应力比为0.5下104周次疲劳寿命的断口中无明显平坦疲劳裂纹扩展区,而相近疲劳寿命的应力比为-1的断口中可见平坦疲劳裂纹扩展区;应力比为0.5的疲劳裂纹主要在次表面或内部萌生,而应力比为-1的裂纹基本在表面萌生。缺口试样疲劳断口整体平坦,可见类解理特征,疲劳条带清晰;裂纹起源于缺口根部,多源;随着疲劳寿命由104周次延长到106周次,瞬断区由内部移向缺口边缘,应力比为-1下的瞬断区呈纺锤形,而应力比为0.5下的瞬断区由椭圆向纺锤形变化,且应力比为0.5下的疲劳裂纹扩展区更为光滑平坦,瞬断区的塑性断裂特征更明显。

喷丸对DZ4合金旋转弯曲疲劳断裂特征的影响

对喷丸前后DZ4高温合金旋转弯曲高周疲劳断口的断裂特征进行了观察。结果表明,室温和高温(820℃)时,未喷丸的DZ4合金高周疲劳裂纹均萌生于试样表面以及与表面相连的铸造缺陷或碳化物处。Kt=1时,疲劳断口为点源,源区存在滑移平面和滑移台阶;随着应力集中水平的升高(Kt=2,Kt=3),疲劳断口向多源和线源发展,源区滑移面变小甚至消失;随着温度的升高,断口源区滑移特征明显。喷丸后,疲劳裂纹源内移,裂纹萌生于试样次表面的晶体内部或铸造缺陷处。带缺口试样裂纹源减少,起源区域缩小,出现明显的主、次疲劳源。实验证明,喷丸可降低DZ4合金表面和缺口敏感性,对裂纹萌生有抑制作用,可提高材料的疲劳性能,随着温度升高,喷丸的强化作用逐渐减弱,但在820℃仍有强化作用。

高性能纤维的弯曲疲劳断裂研究

在自制弯曲疲劳装置上 ,对 3种高强对位芳纶及超高相对分子质量聚乙烯纤维 (Dyneema SK65 )进行双面弯曲疲劳试验。结果表明 ,Twaron 2 0 0 0弯曲疲劳寿命的自然对数与预加应力、弯曲角度呈线性关系 ,Dyneema SK65弯曲疲劳寿命明显长于对位芳纶 ,Twaron 2 0 0 0 ,Kevlar 12 9相近 ,都比Kevlar 2 9略长 ;高强型对位芳纶的弯曲疲劳断裂断口芯层呈现出“毛笔头”或“拔丝形”原纤化分裂形态 ,超高相对分子质量聚乙烯纤维弯曲疲劳断裂断口有明显的脆性折断形态 ,无原纤出现。

低应力应变疲劳的探讨

利用断裂力学原理研究低应力疲劳的实质,指出传统低应力疲劳研究的一些局限,探讨低应力疲劳的研究方向,即建立考虑平均应变/应力影响和多轴条件的应变疲劳可靠性分析方法。

三维五向编织复合材料T型梁弯曲疲劳应力分布

通过四步法三维编织和真空辅助树脂模塑成型工艺(VARTM)制备三维五向编织复合材料T型梁试件,并在MTS 810.23型测试系统上测试其80%应力水平下的弯曲疲劳性能。根据三维五向编织复合材料T型梁的真实细观结构,建立大型精细实体模型,用有限元法研究三维五向编织复合材料T型梁在低周循环载荷下的弯曲疲劳性质。结果表明:疲劳加载过程中,轴纱为主要的承力部件;厚度方向上,材料从面板至加强筋处应力先减小后增大;长度方向上,应力从试样中间位置向两侧扩展;加强筋处纤维的拉伸断裂为材料在80%应力水平下失效的主要模式。此研究方法可进一步扩展至其他复杂横截面复合材料结构件的抗疲劳设计。

考虑弯曲应力占比的矩形钢管K型节点疲劳评估

为提高S-N曲线法与断裂力学法等疲劳评估方法的准确性,探讨了矩形钢管K型节点在支管拉压平衡荷载作用下的弯曲应力占比计算方法。首先建立了矩形钢管K型节点有限元模型并结合试验进行了验证,然后通过大量的参数分析得出了节点几何参数对弯曲应力占比的影响,最后通过多元非线性回归分析推导出弯曲应力占比的计算公式及考虑工程实际应用偏安全的修正公式,给出了基于断裂力学法的矩形钢管K型节点断裂评估算例。结果表明:建立的模型与试验值相比,弯曲应力占比平均值为1.051,均方差为0.167,两者最大差值仅为7.5%,说明建立的有限元模型可靠;提出的弯曲应力占比计算公式与有限元计算结果相比,其均值为1.073,均方差为0.055,变异系数为0.051,相对差值在10%之内,验证了拟合公式的可靠性;考虑实际工程偏安全应用,在99.73%的保证率下提出乘以0.93倍的安全系数对弯曲应力占比计算公式进行修正;当热点应力相近,弯曲应力占比降低39.3%时,疲劳寿命会降低10%,膜应力变大时会导致其裂纹尖端具有更大的应力强度因子而加快了裂纹扩展的速率。

家轿后减振器活塞杆旋转弯曲疲劳断裂分析

家轿后减振器活塞杆在进行旋转弯曲疲劳试验时出现早期断裂。通过化学成分、显微组织、力学性能及应力分析 ,并与桑车后减振器活塞杆进行对比试验 ,认为家轿活塞杆早期断裂的主要原因系材料强度不足所致 ;在过渡圆角处进行表面滚压可提高表面强度及压应力 。

应力应变、疲劳与脆断、断裂力学

FSW接头残余应力分布及控制技术；采用热弹塑性有限元方法预测低碳钢钢管焊接变形；选择合适的焊缝形式提高在高应力循环范围的使用寿命；科用低相变点焊条熔修方法改善焊接接头疲劳强度的试验；热处理对镍基合金碳化钨硬面涂层疲劳强度的影响；车身结构中焊点疲劳寿命预估；10XH3МД合金钢焊接结构的多周疲劳强度和耐寒性；X80管线钢焊接热影响区的韧性分析。

应力应变、疲劳与脆断、断裂力学

采用有限元计算方法分析了平面应变条件下中心裂纹和三点变曲不同强度匹配和裂纹深度试样中的裂端场。结果发现,焊接接头裂端应力三轴性随加载方式、裂纹长度及焊缝和母材匹配性质不同而变化,并从焊缝和母材塑性区发展及应变硬化方面进行了解释。

材料多轴高低周疲劳失效准则的研究进展

多轴疲劳自研究以来,对于高周疲劳和低周疲劳分别出现了许多方法和准则。高周多轴疲劳的研究准则包括等效应力准则、临界面应力准则和应力不变量准则,其中研究比较多的是临界面应力准则。低周多轴疲劳的研究准则包括等效应变准则、临界面应变准则和能量准则,其中研究比较多的是临界面应变准则和能量准则。在这些准则中,真正普遍接受和有工程价值的并不多。文中就国内外多轴疲劳研究发展中比较有价值的准则进行概括和总结,简述各种准则的优缺点及其适用范围。

S135钻杆钢预腐蚀后的弯曲疲劳性能

目的考察有机盐钻井液对S135钻杆材料腐蚀及疲劳性能的影响。方法首先利用高温高压釜模拟有机盐钻井液井筒的工况环境,对疲劳试样进行预腐蚀,通过点蚀仪测定试样表面的腐蚀状况;然后利用旋转弯曲疲劳试验机在不同弯曲应力条件下对预腐蚀试样和未腐蚀试样的疲劳性能进行测试,算得不同存活率下的疲劳强度,并绘制不同存活率下的S-N曲线。用体视显微镜和扫描电镜观察预腐蚀试样和未腐蚀试样的疲劳断口形貌,进而得出S135钻杆材料表面腐蚀对其疲劳寿命的影响程度和影响机制。结果经过腐蚀的试样表面有较多腐蚀坑,腐蚀坑深度在0.4~0.7 mm之间。未腐蚀试样的疲劳强度为553 MPa,其疲劳断口只观察到单个疲劳裂纹源;腐蚀试样的疲劳强度为409 MPa,其疲劳断口观察到多个疲劳裂纹源。S135钻杆材料腐蚀疲劳开裂敏感性指数为26%。结论经过高温高压有机盐钻井液环境腐蚀后,试样表面点蚀严重,腐蚀坑底部存在应力集中并导致裂纹源的形成,多个裂纹源的同时生长加快了裂纹的扩展,最终降低S135钻杆钢的疲劳强度。

基于裂纹扩展的齿轮弯曲疲劳寿命仿真分析

从齿轮内部存在缺陷这一事实出发,研究不同载荷、不同缺陷位置对齿轮寿命的影响.根据齿轮无损探伤验收标准设定的初始缺陷,应用边界元分析软件FRANC3D(fracture analysis code in 3dimensions)计算了裂纹前沿不同位置处的应力强度因子,对齿轮在不同载荷条件下进行裂纹扩展的仿真,得到不同载荷条件下载荷循环次数与裂纹长度关系曲线及齿轮寿命与齿根应力幅值曲线.

疲劳S-N曲线预测的三维断裂力学方法

根据旋转弯曲圆棒疲劳断口分析 ,给出了裂纹几何参量及应力强度因子随裂纹扩展的变化规律。采用考虑三维应力约束效应的断裂力学理论及常幅载荷下材料的疲劳裂纹扩展 da/d N～ΔK曲线 ,得到了独立于试件几何形状和应力比的材料 da/d N～ΔKeff基准数据。结合断口分析所得的应力强度因子以及材料 da/d N～ΔKeff数据 ,对三种旋转弯曲圆棒 S-N(应力 -疲劳寿命 )曲线进行了预测。结果表明 ,本文预测的疲劳 S-N曲线和试验的结果较为吻合。本文的 S-N曲线断裂力学预测方法对确定结构全寿命具有实际指导意义 。

AS41压铸镁合金的低周疲劳行为

为了探索AS41压铸镁合金在室温下的低周疲劳变形与断裂行为,分别对压铸态和固溶处理态的AS41镁合金进行了应变控制疲劳实验,并利用S-3400N型扫描电子显微镜对合金的低周疲劳断口形貌进行了观察与分析.结果表明,在低周疲劳加载条件下,合金均表现为循环应变硬化;合金的塑性应变幅、弹性应变幅与断裂时的载荷反向周次之间分别服从Coffin-M anson和Basqu in公式;AS41压铸镁合金经固溶处理后的组织比压铸态更均匀,强化相分布更弥散,在相同的外加总应变幅下表现出更高的疲劳寿命.断口形貌观察结果揭示,对于两种加工状态的AS41镁合金,疲劳裂纹均以穿晶方式萌生于试样表面并以穿晶方式扩展.

Incoloy 825镍基合金的低周疲劳行为

为了研究Incoloy 825镍基合金的循环应力响应行为和低周疲劳行为,在室温和760℃下进行外加总应变幅控制下的疲劳实验,确定了合金在不同温度下的应变疲劳参数.利用透射电子显微镜和扫描电子显微镜分析了合金疲劳变形后的位错亚结构与断口形貌.结果表明,室温下合金呈现先循环硬化后循环软化的特征,而在760℃下合金则呈现先循环硬化后循环软化或循环稳定的特征.在不同温度下合金的塑性应变幅、弹性应变幅与断裂时的载荷反向周次之间均呈现单斜率线性关系,并分别服从Coffin-Manson和Basquin公式.在室温和760℃下合金的低周疲劳变形机制主要为平面滑移,且疲劳裂纹均以穿晶方式萌生和扩展.

表面压应力对10Ni5CrMoV钢疲劳性能的影响

分别采用精磨和冲击加工在10Ni5CrMoV钢试样表面形成不同的残余压应力,对具有不同表面压应力的试样进行高周和低周疲劳试验,采用扫描电子显微镜对疲劳断口进行分析,并测试经不同周次高应变幅循环加载后的试样表面应力。结果表明,较高的表面压应力能有效抑制小应力幅下疲劳裂纹在表面的起裂,从而有效的提高了高周疲劳性能;在高应变幅作用下,初始的表面压应力迅速发生松弛而失去对疲劳裂纹在表面起裂的抑制作用,因而对低周疲劳性能无明显影响。

T型焊接接头弯曲疲劳寿命预测方法

采用数值模拟方法对弯曲载荷下T型焊接接头疲劳裂纹由萌生至断裂过程进行研究,将焊接构件疲劳总寿命分为裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命,提出一种基于缺口效应和断裂力学的疲劳寿命预测方法。首先针对T型接头进行有限元建模,基于应变-寿命曲线与Neuber公式计算T型接头局部应变集中区域的裂纹萌生寿命,并将这一阶段结束时的初始裂纹设为半椭圆形表面裂纹;然后在T型接头中创建与实际裂纹相符的半椭圆形状裂纹,结合Dugdale模型和Westergaard应力函数,根据有限元分析结果迭代计算半椭圆裂纹尖端的真实应力强度因子,建立裂纹尖端应力强度因子随裂纹深度及附加应力变化的拟合公式;最后结合Pairs理论计算焊接构件裂纹扩展寿命,并与T型接头弯曲试验结果进行对比验证。结果表明:基于缺口效应和断裂力学的疲劳寿命预测值在试验结果的两倍误差带内,与试验结果具有较好的一致性;相同条件下,T型接头焊趾应力强度因子相比平面应变状态增加了25%;T型接头弯曲疲劳强度比拉伸疲劳强度高12%。