Finite Element Method Investigation of the Effect of Cold Expansion Process on Fatigue Crack Growth in 6082 Aluminum Alloy

Cold expansion is an efficient way to improve the fatigue life of an open hole. In this paper, three finite element models have been established to crack growth from an expanded hole is simulated. Expansion and its degree influence are studied using a numerical analysis. Stress intensity factors are determined and used to evaluate the fatigue life. The residual stress field is evaluated using a nonlinear analysis and superposed with the applied stress field in order to estimate fatigue crack growth. Experimental test is conducted under constant loading. The results of this investigation indicate expansion and its degree are a benefit of fatigue life and a good agreement was observed between FEM simulations and experimental results.

孔挤压强化技术研究进展

概述了直接、间接和复合孔挤压强化的研究现状,从残余应力与微观组织的角度总结了孔挤压强化的抗疲劳强化机理,基于孔结构的疲劳寿命和断口形貌详细分析了孔挤压强化的疲劳性能。研究结果表明,孔挤压强化的孔结构孔壁形成残余压应力,孔结构受到外加交变载荷时孔壁残余压应力能够抵消部分外加交变载荷产生的拉应力,降低了受载孔结构孔壁的应力峰值和平均应力;孔挤压强化的孔结构孔壁发生剧烈的塑性变形,孔壁微观组织发生细化,形成位错胞状结构,能够抑制晶粒的位错滑移,延缓了疲劳裂纹萌生,增大了疲劳裂纹萌生的门槛值,降低了疲劳裂纹扩展速率;在残余应力和微观组织的共同作用下,提高了孔挤压强化孔结构的疲劳寿命。最后,展望了孔挤压强化的发展趋势和研究问题。

Cold expansion technology of connection holes in aircraft structures:A review and prospect

As one kind of key anti-fatigue manufacture approaches with simplicity and effectiveness, the hole cold expansion technology satisfies the increasing needs for light weight and durability of aircraft structures.It can improve the fatigue life by several times at no additional weight conditions.The hole cold expansion technology has been widely used in manufacturing and repairing of both fighters and commercial aircraft, and has become a research hotspot in the strengthening technology.In recent years, hole cold expansion process methods, residual stress around expanded holes, the behavior of fatigue crack initiation and propagation, and fatigue lives after cold expansion are researched extensively through lots of experiments and finite element simulations.A review on the hole cold expansion technology research status in the last twenty years is presented in this paper.Via the analysis of the current characteristics and defects of the hole cold expansion technology, combined with the actual needs in design and manufacture of new-generation aircraft, development trends and novel research directions are presented for realizing precise and high-efficiency anti-fatigue manufacture.

钛合金TB6连接孔挤压强化残余应力及疲劳寿命试验研究

针对钛合金TB6连接孔,研究直接芯棒挤压强化工艺参数对钛合金耳片的强化效果,表征不同挤压量和挤压次数下连接孔塑性变形量、孔壁残余应力和表面粗糙度,测试挤压强化前后耳片的拉–拉疲劳寿命,分析疲劳断口的形貌特征及疲劳寿命提升的原因。结果表明,挤压强化几乎不能改善孔壁表面质量,但可以使孔壁发生剧烈的塑性变形,引入一定的残余压应力;随着挤压量的增大,塑性变形量增大,残余压应力引入峰值和深度均明显增大,衰减速度减小,而挤压次数的影响相对较小;挤压强化后疲劳寿命显著提高,经由3%挤压量挤压强化后的耳片疲劳极限提升至少38%。

孔用衬套冷挤压的强化机理与疲劳寿命研究进展

以强化后孔结构为研究对象,分析了冷挤压相关技术的研究现状,综述了衬套冷挤压技术的工艺过程及系统组成,分别从应力分布和微观组织演化的角度,对强化作用机理进行了系统分析和总结,详细介绍了孔用衬套冷挤压强化工艺条件对疲劳寿命的影响,归纳总结了孔结构冷挤压技术中疲劳断口分析和寿命预测的研究结果。研究表明,冷挤压强化后孔壁周围的残余应力分布和微观组织有所改善,通过引入残余应力抵消部分外部载荷冲击。同时,有效抑制位错萌生、增值和滑移的有益位错胞形成,阻止了晶粒的滑动,不仅降低了裂纹的扩展速率,而且提高了孔结构抗塑性变形能力。冷挤压强化工艺参数的优化对疲劳寿命有着重要的影响。分析了断口形貌和建立了对应工艺参数的数学模型,可以为疲劳寿命的精准预测提供理论依据。最后,结合实际生产工艺的技术需求,展望了衬套冷挤压强化技术在未来研究中需要解决的关键问题和发展趋势。

孔挤压强化对超高强7055-T7751厚板组织性能的影响

采用挤压棒直接冷挤压的方法,对比分析了超高强7055-T7751铝合金厚板带孔试样孔挤压前后的疲劳寿命;通过透射电镜观察、扫描电镜观察以及X射线应力分析等方法,研究了7055-T7751厚板带孔试样的疲劳断口形貌特征、微观组织变化以及孔壁表层的残余应力场。结果表明,采用3%~5%的挤压量对7055-T7751厚板进行孔挤压强化可取得较好的疲劳强化效果,试件的疲劳寿命提高了33倍以上;孔挤压后的强化层深度约为7mm,最大残余应力出现在距孔边约0.5mm处,应力值为-554MPa。强化层内形成的位错胞状结构和残余压应力可有效延缓疲劳裂纹的扩展速率,从而提高试件的疲劳寿命。

TC4板孔冷挤压强化残余应力分布与疲劳寿命

开展了不同挤压量下TC4钛合金板孔冷挤压强化有限元仿真研究,得到了挤压强化后最小截面的切向残余应力分布规律,分析了挤压量对受载试样孔边应力分布的影响,探讨了挤压量、残余应力和疲劳增益三者之间的内在关系。采用开缝衬套冷挤压强化工艺对TC4带孔板件进行冷挤压和疲劳验证试验。研究结果表明,挤压强化后的孔边切向压缩残余应力可以有效降低孔周应力集中程度,优化受拉试样最小截面应力分布,改变裂纹源的位置并延长疲劳裂纹的萌生和扩展寿命,有效提高试样疲劳寿命。综合仿真和疲劳试验得到TC4板孔最优挤压量为4%。

金属材料大气环境静态腐蚀老化的疲劳特性

对ＬＣ４ＣＳＡｌ合金和３０ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ钢的疲劳试验件在大气环境预腐蚀两年后测定其疲劳寿命性能，检验了疲劳寿命的分布特性，分析了材料在大气环境预腐蚀后疲劳寿命分布的数字特征、寿命分散系数、疲劳Ｓ－Ｎ曲线等的变化，以及冷挤压强化孔的疲劳增寿效应与大气环境腐蚀日历时间之间的关系结果表明，随腐蚀日历时间的延长，疲劳寿命均值减小，寿命方差增加，疲劳寿命分散系数增大，冷挤压强化孔的疲劳增寿效应衰减．对于在大气腐蚀环境中使用的结构，所得结论是估算结构（特别是飞机结构）疲劳日历寿命的参考依据．

孔挤压强化对2024铝合金疲劳性能的影响

孔边应力集中易导致飞机结构疲劳失效,从而引发灾难性事故。为研究孔挤压强化对2024-T351铝合金板材疲劳寿命及性能改善的影响,在疲劳试验机上进行孔挤压前后铝合金板材试件的疲劳性能测试,采用X射线衍射测量及有限元仿真表征孔边残余应力分布。通过扫描电镜和透射电镜观察疲劳断口、疲劳条带及微区组织变化,揭示孔边微结构变化与疲劳寿命的关系。结果表明:孔挤压显著提高了2024-T351铝合金板材的疲劳性能,过盈量0.4 mm时增寿效果较好,疲劳极限增幅约为42%。

载荷谱在坦克上的应用

本文用理论和试验相结合的方法估算了坦克传动箱在载荷谱作用下的疲劳寿命 ;进而用以载荷谱为依据的螺纹优化冷挤压强化技术大幅度地提高了坦克传动箱的疲劳寿命 ,与传统寿命估算方法不同 ,本文在威布尔 (Weibull)σ Ν曲线公式与线性疲劳损伤累积法则的基础上建立了高周疲劳寿命公式。运用这一公式估算寿命 ,结果与试验和实际使用都符合较好。由文中的理论分析和试验结果可见 。

铝合金紧固孔复合强化工艺研究

目的研究激光喷丸-冷挤压复合强化工艺对7050铝合金紧固孔疲劳源、疲劳寿命的影响。方法利用ABAQUS软件进行复合强化工艺的有限元仿真,并在强化后施加循环载荷获得残余应力数据,然后在应力水平为195 MPa、应力比为0.1的条件下进行疲劳实验,并把仿真和疲劳实验的结果与激光喷丸、冷挤压进行对比。结果复合强化工艺能同时对表面和孔壁进行强化,复合强化工艺比激光喷丸表面和孔壁的残余压应力大,循环载荷下两者残余应力的差异减小。冷挤压工艺表面全部是拉应力,循环载荷下挤出面孔角附近的残余应力由-928 MPa变为300 MPa。未处理紧固孔的疲劳源位于孔角处,激光冲击强化紧固孔的疲劳源位于中间孔壁处,冷挤压紧固孔的疲劳源位于挤出面孔角附近,复合强化紧固孔的疲劳源位于中间孔壁处,复合强化紧固孔的疲劳裂纹扩展区面积最大。未处理、激光喷丸、冷挤压、复合强化的紧固孔的疲劳寿命分别为65 918、165 117、114494、225 209。结论与未处理的紧固孔的疲劳寿命相比,激光喷丸、冷挤压、复合强化的紧固孔的疲劳寿命都有所增加,复合强化的紧固孔的疲劳寿命最大,复合强化能够进一步提高紧固孔的疲劳寿命。激光喷丸和复合强化诱导的残余压应力层能够抑制疲劳裂纹萌生于表面,而冷挤压工艺则不能。

TC4钛合金紧固件孔E-I强化研究

介绍TC4(Ti-6Al-4V)钛合金螺栓孔无衬套冷胀孔干涉配合综合强化的研究结果。实验证明,在给定的条件下,冷胀孔强化的TC4板状空孔试件的疲劳寿命增益系数(LIF)为13,干涉配合螺栓连接的LIF=3,而E-l强化件的疲劳寿命比单纯干涉配合又有成倍提高。电镜断口分析表明TC4合金强化件的疲劳裂纹的形成和扩展与LY12CZ及30CrMnSiA相似,它们不表现为典型的角裂纹,即沿板平面和厚向扩展速率有明显差异。对于TC4合金,在改善疲劳品质上,带衬套冷胀孔强化比无衬套冷胀孔强化好得多。

强化中心孔试样谱载疲劳寿命预测与试验验证

针对传统疲劳累积损伤理论难以准确预测强化材料谱载疲劳寿命的问题,利用强化钛合金和铝合金谱载试验下,某一级应力水平的疲劳寿命,通过迭代方法反推出对应材料的改进Manson准则参数α值和Dolan准则参数d值,进一步用于预测其他应力水平的谱载疲劳寿命。迭代α值和d值弥补了传统参数未考虑材料强化的不足,与Miner准则、传统Manson准则和传统Dolan准则预测结果对比,迭代预测模型准确性大幅提高,预测值与试验值的比值在0.5~2倍之间,表明预测方法可行和有效。

孔挤压强化工艺对7A12铝合金组织及疲劳性能影响的研究

研究了孔挤压强化工艺对7A12铝合金锻件的疲劳增益效果,并通过透射电镜、扫描电镜及X射线衍射仪等设备,研究了疲劳断口的形貌特征、微观组织变化以及孔壁表层的残余应力场分布。研究结果表明,挤压过盈量为5%时,孔挤压疲劳寿命增益效果最好,是未强化的13.5倍;孔挤压后,孔壁强化层内形成了深度>9mm的残余压应力层,强化层内形成的位错胞状结构可以有效延缓疲劳裂纹的扩展速率,从而提高材料的疲劳寿命。

孔挤压强化对Inconel 718高温合金疲劳性能的影响

为了提高Inconel 718高温合金螺栓连接孔的疲劳抗力,研究了孔挤压强化对Inconel 718高温合金中心孔试样疲劳寿命的影响,并采用扫描电镜、粗糙度仪、X射线应力测量仪及金相显微镜等仪器对孔壁表面完整性进行分析,探讨了孔挤压强化机制。结果表明：1.90%挤压过盈量的中心孔试样的中值疲劳寿命是未强化试样中值疲劳寿命的1.16-4.79倍。与2.85%挤压过盈量的试样相比,1.90%挤压过盈量试样取得了更优的疲劳寿命增益效果。分析发现：经1.90%挤压过盈量的孔挤压强化后,孔壁表面完整性得到了显著改善,孔壁表面粗糙度下降了64.2%,孔边形成了较深的残余压应力场,孔边晶粒组织发生了明显的塑性变形,形成了组织强化层。表面完整性的改善对疲劳寿命的增益具有重要作用。

防治钢轨螺栓孔裂的有效技术

介绍了一种经济、可靠的防裂技术——钢轨螺栓孔冷扩张技术,它通过在螺栓孔周边引入有益的残余压应力而起到提高螺栓孔疲劳寿命的作用。还简要介绍了冷扩张机制、残余压应力的产生和分布、防裂止裂的实际效果以及冷扩张技术的应用前景等。

孔挤压强化工艺参数对GH4169高温合金疲劳寿命影响分析

为探究孔挤压强化工艺参数对镍基高温合金GH4169低周疲劳寿命的影响规律,首先建立了经试验验证的孔挤压强化后GH4169带孔平板低周疲劳寿命模型,在此基础上研究了600℃、820MPa、应力比0.1条件下挤压量、前导角、后导角、摩擦因数、芯棒材料等典型工艺参数对孔挤压强化后疲劳寿命的影响规律。结果表明:提高挤压量能明显提升疲劳寿命,但过大的挤压量会导致疲劳寿命下降;增加前导角有助于改善挤入面疲劳寿命;后导角对疲劳寿命没有影响;摩擦因数的提高会对孔挤压强化效益产生负面影响;芯棒材料的屈服强度应大于被挤压材料。

基于电磁加载的孔动态冷挤压强化方法

为了提高开孔结构的疲劳寿命,提出了一种基于电磁加载的动态冷挤压方法。试验对比了动态冷挤压和传统冷挤压的疲劳寿命增益,对挤压阻力和冷挤压前后孔的几何尺寸进行了测量,同时对动态冷挤压和传统冷挤压试件的疲劳寿命进行了评估,并对疲劳破坏机理及增寿机理进行了探讨。结果表明,与传统冷挤压相比,动态冷挤压能显著降低挤压阻力,且冷挤压后孔径沿轴向分布更加均匀。在疲劳试验中,动态冷挤压的试件比传统冷挤压的试件具有更高的疲劳寿命,特别是在高载荷水平下动态挤压疲劳寿命增益更明显。此外,通过疲劳断口观察发现动态冷挤压试件往往会出现多个疲劳源,且疲劳裂纹一般沿水平方向扩展,而传统冷挤压试件的疲劳裂纹一般萌生于芯棒入口处并向出口处扩展,说明动态冷挤压方法可能会沿轴向得到比静态方法更加均匀的残余应力,因此提高了开孔结构的疲劳寿命。

挤压强化对TC17钛合金孔结构疲劳寿命的影响

为提高TC17中心孔试样的疲劳性能,采用扫描电镜、粗糙度仪、X射线衍射仪等对孔壁表面完整性进行分析,研究孔挤压强化工艺对试样疲劳性能的影响。结果表明:过盈量为0.18 mm的孔挤压试样最小疲劳寿命(14718次)高于原始试样的最大疲劳寿命(13965次);同过盈量为0.28 mm和0.38 mm的试样相比,其疲劳寿命分散性较小、无明显的应力集中现象,具有良好的疲劳寿命增益效果;孔壁表面粗糙度值最低;孔壁内侧形成一定深度的强化层;孔边产生的残余压应力场有效地抑制了孔壁内表面疲劳裂纹的产生,有利于提高孔结构的疲劳性能。

孔挤压强化对FGH95合金室温及高温疲劳性能的影响

孔是一种典型的应力集中结构。本文研究了芯棒直接冷挤压对FGH95合金试样中心孔的高、低温疲劳寿命的影响规律,并采用扫描电镜、粗糙度仪、X射线应力测量仪及显微硬度计等仪器分析了疲劳断口和孔壁表面完整性主要参数,探讨了FGH95合金孔挤压强化机制。结果表明:相比未挤压试样,孔挤压试样在室温、650MPa的中值疲劳寿命提高了0.9倍以上,而527℃、575MPa的中值疲劳寿命提高了10.3倍以上。分析表明,孔壁经冷挤压后,孔壁表面粗糙度大幅下降,孔壁沿径向形成了一定深度的残余压应力层和组织硬化层,对中心孔试样的室温、高温疲劳寿命的提升具有重要作用。另外,晶界的存在和相邻晶粒的晶体学取向差异会对疲劳裂纹扩展路径产生显著的影响。