残余应力与拘束对GH4169合金疲劳及蠕变-疲劳裂纹扩展速率影响研究

为深入理解残余应力与拘束在疲劳载荷下的交互作用,以镍基高温合金GH4169为研究对象,选用紧凑拉伸(CT)试样,对不同拘束CT试样的上方施加不同大小的预加载荷从而在裂尖产生不同应力。将该应力作为残余应力,系统研究残余应力和拘束交互作用下GH4169合金的疲劳和蠕变–疲劳裂纹扩展速率。结果表明：随着裂尖残余压应力的增加,不同拘束下GH4169合金的疲劳和蠕变–疲劳裂纹扩展速率均降低。与低拘束试样相比,高拘束试样的疲劳和蠕变–疲劳裂纹扩展速率对残余应力的变化更加敏感,这主要与裂尖Mises应力和垂直于裂纹扩展方向的正应力有关。与疲劳裂纹扩展速率相比,蠕变-疲劳裂纹扩展速率对残余应力的变化更加敏感。     

铜合金表面疲劳裂纹的扩展行为

提出用带表面裂纹的试样来显示滚压试样表面强化层的疲劳裂纹扩展,并对黄铜及纯铜表面裂纹扩展行为进行了研究.结果表明:无残余应力作用时变形组织也可提高疲劳裂纹扩展抗力;相同应力强度因子幅度ΔK下,黄铜的裂纹扩展速率低于纯铜,即黄铜强化效果优于纯铜.断口分析表明其疲劳裂纹扩展是一种再生核扩展机制.     

残余压应力场中疲劳短裂纹扩展速率的预测

通过对Newman中心孔裂纹闭合模型加以改进,引入经有限元分析计算得到的残余应力再分布曲线,建立了用于单边圆缺口短裂纹闭合力及扩展速率预测的改进模型。为了验证模型的合理性,对40Cr调质态板状试样的缺口部位进行喷丸,测定裂纹扩展时的残余应力再分布,实测短裂纹的闭合力及扩展速率。结果表明,模型计算与实验测定符合较好。残余压应力提高了裂纹闭合力,减小了最大应力强度因子,从而降低了有效应力强度因子幅值,使裂纹扩展速率下降。     

正交异性钢桥面板的疲劳裂纹扩展规律

为了研究正交异性钢桥面板U肋-横隔板的连接部位的疲劳问题,基于扩展有限元方法分析典型疲劳裂纹的扩展机理,并引入U肋-横隔板焊缝的残余应力,分析残余应力对疲劳裂纹扩展的影响。研究结果表明:萌生于横隔板开孔处的疲劳裂纹未考虑残余应力时不会扩展,加入残余应力后会改变裂纹的应力状态,裂尖应力可以驱动横隔板开孔处的裂纹扩展,裂纹扩展类型为Ⅰ型裂纹;萌生于U肋焊趾处的疲劳裂纹为Ⅰ型主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ复合型裂纹,残余应力会影响裂纹扩展角度;对于萌生于横隔板焊趾处的裂纹,相比于不考虑残余应力的情况,考虑残余应力的裂纹扩展规律与实桥开裂规律相符,说明对于焊缝疲劳裂纹,在疲劳评估时应考虑焊接过程中残余应力对评估结果的影响。     

喷丸强化铝锂合金单边缺口拉伸试样谱载寿命预测

基于断裂力学的方法,对喷丸强化铝锂合金单边缺口拉伸试样在Mini-Twist载荷谱下的疲劳裂纹扩展行为进行研究.使用权函数计算裂纹在外加载荷和残余应力场共同作用下的应力强度因子;考虑到裂纹存在的闭合效应,基于NEWMAN的拟合公式,计算并更新Mini-Twist载荷谱下的张开应力.分析不完整的残余应力场测量结果对寿命预测的影响,发现不完整的测量数据对深度较小的残余应力场的寿命预测结果影响更大.     

复杂应力耦合作用下斜拉桥正交异性桥面板疲劳断裂

为研究随机车辆荷载与焊接残余应力等复杂应力耦合作用下,斜拉桥主梁正交异性桥面板焊接细节的疲劳断裂性能,以苏通长江大桥为工程背景,在调研统计交通量的基础上,基于Monte-Carlo法建立随机车辆荷载模型,分析随机车辆荷载作用下正交异性桥面板焊接细节的力学行为;基于ANSYS有限元软件,建立焊接细节热分析模型,模拟焊接加热过程与冷却过程,获得焊趾附近残余应力分布。将焊接残余应力作为初始应力,采用数值模拟获得随机车辆荷载与焊接残余应力耦合作用下正交异性桥面板焊接细节的疲劳应力谱。基于双参数疲劳裂纹扩展模型,考虑疲劳裂纹扩展裂纹闭合效应,分析随机车辆荷载与焊接残余应力耦合作用下,正交异性桥面板焊接细节疲劳裂纹扩展行为。结果表明:焊接残余应力与随机车辆荷载耦合作用下,焊接细节疲劳应力幅值远大于车辆荷载作用的应力幅值;在随机车辆荷载与焊接残余应力耦合作用下,正交异性桥面板顶板与U肋焊接节点的剩余疲劳寿命随裂纹长度的增大而下降;焊接残余应力的存在极大地降低了焊接节点的疲劳寿命,与仅考虑随机车辆荷载作用下焊接节点的疲劳寿命相比,焊接残余应力与车辆荷载应力耦合作用下的疲劳寿命下降30%～40%,且疲劳寿命降低幅度随残余应力的增大而增大。     

直接埋藏法修补疲劳裂纹缺陷的研究

在海洋平台的安全维护中,挖除原始疲劳裂纹缺陷并准备坡口是水下焊接修复工程中一项十分困难的作业步骤.为此,提出一种不挖除原始裂纹缺陷的直接埋藏法来修复疲劳裂纹缺陷.为了探索该技术的可行性,在陆地上制备了模拟补焊试样,通过对试样补焊前后的疲劳性能进行测试,分析研究了直接埋藏法修复后疲劳裂纹出现的位置、试样的疲劳循环周次以及打磨对补焊后试样疲劳循环周次的影响规律.使用Abaqus软件模拟计算了补焊所产生的残余应力和补焊后试样在不同外部载荷作用下原始裂纹尖端的应力情况.试验结果表明,新的疲劳裂纹主要出现在补焊焊趾处和补焊焊道上;补焊后接头的平均疲劳循环周次比原始试样并没有下降,反而提高了36%;对补焊焊趾进行打磨处理,接头的平均疲劳循环周次比补焊焊趾未打磨的接头提升了16%.数值模拟结果显示,补焊焊道收缩在裂纹最深处产生了-157 MPa的残余应力.三点弯曲加载时,裂纹最深处的应力由补焊前的508 MPa降为补焊后的94 MPa;单轴拉伸时,裂纹最深处的应力由补焊前的480 MPa降为补焊后的320 MPa.该结果表明直接埋藏法补焊所产生的残余压应力是延缓或阻止原始裂纹继续向母材扩展的主要原因.综合试验和模拟结果,可以认为直接埋藏法修补疲劳裂纹在水下焊接修复工程中有着很强的可行性.     

裂纹法测试陶瓷材料K_(IC)的研究

通过利用TZP陶瓷材料制备裂纹体陶瓷试样,探讨裂纹法测试K_(1c)及其影响因素,提出了较好控制裂纹扩展的方法,并就加载速度、相变增韧及残余应力等因素对裂纹体试样的K_(1c)影响进行了分析讨论,以完善该方法,使其具备工程实用价值.     

压应力引起的不锈钢的应力腐蚀

用表面残余压应力试样,U型弯曲试样(用其压缩区)和WOL恒位移缺口压缩试样,对18-8不锈钢在沸腾MgCl_2溶液中进行了压应力条件下的应力腐蚀试验。结果表明,三种试样分别经110小时,73-100小时以及262-324小时后都观察到了由压应力所产生的应力腐蚀裂纹,并获得了具有岩层状特征的准解理脆性断口,这和拉应力腐蚀时获得的解理断口明显不同。 压应力条件下应力腐蚀裂纹的孕育期比拉应力要高一个数量级,而且裂纹扩展缓慢,加上裂纹不能张开而难于辨认,故当试样中同时存在拉应力时将不会观察到压应力所产生的应力腐蚀裂纹。     

安全端焊接残余应力对裂纹尖端力学参量的影响

焊接残余应力是导致核电一回路安全端异种金属焊接接头引导力腐蚀开裂(SCC)的主要因素之一,同时焊接接头区域材料力学性能不均匀性使得SCC裂纹尖端力学场分析变得更为复杂。为了了解核电一回路压力容器安全端异种焊接结构中残余应力对裂纹尖端力学参量的影响,本文通过有限元手段分别利用预定义温度场法和导入预应力法对核电一回路安全端焊接接头中的残余应力分布进行模拟,并计算分析了焊接残余应力作用对安全端焊接接头中SCC裂纹尖端主要力学参量的影响。研究表明,导入预应力法是较理想的焊接接头残余应力场模拟方法;裂尖应力、应变以及J积分均与残余应力的分布规律有很大的关联性;当裂纹长度小于管壁厚度的三分之一时,裂尖应力应变和断裂参量随裂纹长度增加而增大,之后趋于平稳;当裂纹长度接近30 mm时裂尖法向应力由正变负,裂尖应力应变随裂纹长度的增大而减小,有可能造成SCC裂纹扩展停滞。研究结果为日后定量预测安全端SCC裂纹扩展历程奠定了一定的理论基础。     

残余压力场下的疲劳裂纹扩展特性

以１６Ｍｎ钢焊接接头为研究对象，对焊接残余压应力场下的疲劳裂纹扩展特性进行了研究．测定了应力比为０．２，０．４，０．６条件下，母材、热影响区、焊缝的疲劳裂纹扩展速率，同时对残余压应力场的变化情况进行了分析和研究，提出了预测１６Ｍｎ钢焊接接头疲劳裂纹扩展速率的数学模型     

激光局部强化40Cr钢的缺口疲劳寿命分析

运用弹塑有限元法对４０Ｃｒ钢经激光局部强化前后材料的缺口局部应力应变场进行理论分析，对于强化层内存在的残余压应力按初应力考虑计及其对疲劳裂纹萌生的影响。建立其与萌生寿命之间的宏观规律，为强化材料的寿命估算提供依据。     

缺口试件在压缩循环载荷下的疲劳行为研究

主要研究锐缺口在压－压缩载荷下的裂纹扩展规律。为了探讨索缺口试件在压循环载荷下裂纹扩展规律，首先进行了试验研究。试验结果表明在等幅压循环载荷下裂纹可以扩展，但其扩展速率是逐步降低的，并最终发生休眠。     

EHL下矿场用重载齿轮的喷丸及疲劳性能分析

弹流润滑（ＥＨＬ）条件下,石油矿场用大模数重载齿轮的承载能力得到提高,齿面接触疲劳失效与齿根弯曲疲劳断裂则成为其主要的失效形式．喷丸强化是改善齿轮表层种种缺陷的有效而简便的方法,喷丸产生的硬化层残余压应力场和显微组织相变是提高齿轮接触疲劳强度的重要因素．从单齿弯曲疲劳,齿面接触疲劳,接触疲劳裂纹萌生与扩展,表层显微硬度,残余奥氏体情况,表层残余应力及亚组织结构等方面讨论了喷丸对齿轮接触疲劳性能的影响．     

残余应力对表面纳米化316L不锈钢疲劳性能影响

超声喷丸处理工艺在316L不锈钢表面制备出了纳米表面晶层,对表面纳米化后和未表面纳米化的316L不锈钢试样进行拉拉低周疲劳试验,然后对试件进行表面残余应力进行测试,并对表面纳米化后材料疲劳性能的影响机理进行了初步分析探讨.研究结果表明,超声喷丸表面纳米化处理可以有效使材料在表面产生残余压应力,并使得表面晶粒细化,从而有效抑制疲劳裂缝萌生,提高材料疲劳寿命.     

化学热处理后残余应力分布及对疲劳强度的影响

探讨了渗碳、碳氮共渗、氮化等常用的化学热处理后所产生的残余应力分布特点，及其对疲劳强度的影响。试验表明，化学热处理后残余压应力的深度往往与渗层深度相一致。渗层中的相变次序和残余奥氏体的存在对残余应力分布影响较大。表层残余压力对工件的疲劳强度起着有益的作用。     

压应力对疲劳裂纹闭合的影响

采用Ｄｕｇｄａｌｅ－Ｂａｒｅｎｂｌａｔｔ模型分析了压缩载荷对疲劳裂纹闭合的影响。在裂纹张开载荷和闭合载荷的确定过程中运用了解析函数形式的奇异积分方程理论。分析和相应的数值计算表明：（１）压缩应力对疲劳裂纹闭合的影响程度取决于压缩应力幅值与材料屈服应力之比；（２）在疲劳裂纹扩展分析中考虑压缩应力的影响是必要的。     

冲击和非冲击疲劳载荷下过载对裂纹扩展的影响

对12CrNi3A 钢在冲击和非冲击疲劳栽荷下的过载裂纹扩展延迟效应研究表明:过载对随后裂纹扩展的影响不仅取决于过载力作用下的裂尖塑变,还取决于随后基载力作用下的裂尖塑变.过载对随后裂纹扩展的影响存在两个互为矛盾的方面:一是裂尖塑变损伤促进裂纹扩展;另一是产生残余压应力场和闭合效应延缓裂纹扩展,两方面共同作用结果才能最终决定对随后裂纹扩展的影响.实验结果还表明,冲击疲劳载荷下的过载延迟效应与过载力的冲击速度有关,相同条件下,冲击疲劳载荷下的延迟期 Nd 高于非冲击疲劳载荷;各种因素对过载延迟的影响程度在两种载荷制度下不相同.