疲劳极限下损伤及“锻炼”效应

对两种晶粒尺寸的中碳钢光滑试样在疲劳极限附近进行了旋转弯曲疲劳试验；应用复型方法观察了疲劳损伤过程，讨论了晶粒尺寸和载荷大小对表面损伤的影响．结果表明：疲劳极限是短裂纹形成但不能继续扩展的极限应力；非扩展裂纹长度受晶粒尺寸和应力幅值影响；“锻炼”效应受应力水平影响，当后期载荷大于临界值时，“锻炼”效应消失     

中碳钢疲劳短裂纹萌生与扩展特性

试验研究了不同热处理状态的３５＃钢试样表面疲劳短裂萌生与扩展特性。结果表明：微结构尺寸及其分布特性对短裂纹萌生与扩展行为有较大影响；短裂纹萌生与扩展寿命可用Ｗｅｉｂｕｌｌ分布定量描述。     

考虑短裂纹阶段的焊接结构疲劳寿命分析

针对焊接结构可能存在的短裂纹问题,基于断裂力学原理提出一种改进的疲劳寿命预测方法。该方法结合Kitagawa-Takahashi图建立裂纹扩展门槛值ΔKth与裂纹特征尺寸a的函数关系,并在传统Paris模型的基础上考虑了该门槛值对裂纹扩展的影响。参照某起重机走行梁的疲劳试验数据进行对比研究,结果表明,本文提出的模型相较于传统的Paris模型具有更高的预测精度,而且它在一定程度上可以解释材料微观晶粒尺寸不同导致的焊接结构疲劳寿命的分散性;短裂纹阶段在试件梁疲劳总寿命中占比约为22%,0.25mm可作为短裂纹和长裂纹的合理分界点。     

缺口敏感性对工件疲劳行为的影响

为解决不同半径孔的疲劳缺口因子对工件寿命影响行为的预测和评价,在线弹性断裂力学的基础上,采用分析的方法探索疲劳缺口的影响因素,提出了一个考虑裂纹闭合的方法,讨论了裂纹闭合在非扩展裂纹形成上的影响,得到了材料晶粒尺寸较大时的小裂纹生长率低,其时的裂纹闭合能使裂纹生长终止,也得到了疲劳缺口因子与应力集中之间的关系,特别是微小孔的疲劳缺口因子随裂纹闭合减小较明显.该结果便于对工件使用寿命进行预测.     

疲劳裂纹扩展的非平衡统计模型

为了研究金属中微观结构对疲劳裂纹扩展性能的影响，在建立的宏观与微观相结合的疲劳断裂非平衡统计理论中，考虑了材料微观结构因素， 得到了包括疲劳短裂纹及长裂纹的整个金属疲劳寿命的普话裂纹扩展速度公式，并和他人的理论结果进行了比较。     

粉末高温合金FGH97疲劳裂纹扩展行为

测定不同晶粒尺寸、γ'相以及不同Hf含量的粉末高温合金FGH97在650℃高温条件下的疲劳裂纹扩展速率,并将其与FGH95和FGH96两代粉末合金的疲劳裂纹扩展速率进行对比. 用定量分析的方法对FGH97合金在疲劳断裂各个阶段的行为特征进行分析. 较大晶粒尺寸的FGH97合金具有较低的裂纹扩展速率,合理的二次和三次γ'相匹配析出,可以获得较高的疲劳寿命;Hf元素的添加使合金的整体疲劳寿命增大;FGH97合金与FGH95和FGH96相比,具有较高的疲劳裂纹萌生抗力,更低的高温疲劳裂纹扩展速率.     

桥梁缆索钢丝裂纹扩展速率预测及疲劳寿命计算

为给桥梁缆索钢丝疲劳性能分析提供简单有效的方法,根据钢丝的微观组织结构和相关试验数据的统计分析结果,建立了钢丝疲劳裂纹扩展速率预测模型,并给出了模型参数的计算方法.通过变载刻痕法在原状钢丝上获取了稳定扩展区的疲劳裂纹扩展速率,预测模型较好地描述了试验获取的数据和文献中近门槛值区域钢丝的疲劳裂纹扩展规律.在此基础上,通过断裂力学方法计算了新钢丝和腐蚀钢丝的疲劳寿命并与试验数据相比较,结果表明:钢丝腐蚀不会对疲劳裂纹扩展速率产生影响,仍可用未腐蚀钢丝的力学性能通过本文方法进行预测,腐蚀钢丝疲劳寿命的变化是由于初始裂纹尺寸发生改变而引起.对于新钢丝和轻微腐蚀钢丝,可采用等效初始裂纹法进行疲劳寿命计算;当钢丝腐蚀较为严重时,疲劳总寿命基本由裂纹扩展寿命构成,初始裂纹尺寸即为真实锈坑深度.鉴于蚀坑深度分布的随机性,宜采用最大蚀坑深度对腐蚀钢丝进行疲劳寿命计算.     

40CrNiMo钢中表面疲劳短裂纹扩展路径的三维分析

研究了表面疲劳短裂纹在４０ＣｒＮｉＭｏ钢淬火回火组织中的扩展行为，通过逐层抛光的金相方法考察了表面短裂纹的三形貌及裂纹周围的微观组织特征，并根据不同周次 裂纹复型记录分析了裂纹扩展的准动态过程。结果表明，偏的是表面短裂纹扩展的主要特征之一，出现偏折时，裂纹表现出较高的扩展速率，裂纹从一个晶粒穿赵晶界进入另一个晶粒的过程中，裂纹的立体形貌发生着显著的变化，扩展速率波动很大，大多数情况下，裂纹扩展最慢     

16MnR钢中微裂纹的疲劳扩展

对含有不同微孔缺陷尺寸的16MnR试棒,在低周疲劳下研究了裂纹扩展的规律。试件初始缺陷尺寸对疲劳寿命的影响,可用垂直于载荷方向缺陷截面积的四次方根来表达。探讨了微裂纹扩展速率和描述低周疲劳的Manson-Coffin公式之间的相互关系。     

16MnR钢中微裂纹的萌生及扩展

用宏观与微观相结合的方法,研究16MnR钢在低周疲劳下微裂纹的萌生与扩展规律。试样上分别钻有40—200μm的微孔,研究了微裂纹启裂、扩展和微缺陷尺寸对疲劳寿命的影响。结果认为,孔边裂纹启裂机理有两种方式:滑移带启裂和疏松带启裂。前者是由剪应力起主要作用,后者是正应力起主要作用。而滑移带的局部性和裂纹开叉是低周疲劳下微裂纹的两大典型现象。且微缺陷尺寸对疲劳寿命有显著影响,该影响随应力水平的增加而减小。     

16Mn钢焊接件疲劳裂纹萌生与扩展观察

该文对16Mn钢对焊接头的焊缝及热影响区（HAZ）中疲劳裂纹的萌生与扩展机理进行了研究。结果发现，疲劳裂纹的萌生与扩展与铁素体组织有关，由于焊接热影响区显微组织的不均匀性，使疲劳裂纹的扩展机制具有某些特殊性。疲劳裂纹扩展阶段裂纹尖端附近为形成于铁素体晶粒内的位错胞及亚晶。在疲劳断裂的各个阶段，其断裂机制是变化的。     

镍基高温合金GH4049高温疲劳小裂纹扩展规律的试验观察

对镍基高温合金GH4049在不同载荷与不同温度下疲劳小裂纹萌生和扩展进行了试验,利用复型技术和光学显微镜观测了裂纹尺寸演化全过程,发现高温疲劳损伤是一个多裂纹系统,且损伤起始于晶界,寿命前期是以裂纹萌生为主的均匀损伤,后期则为以裂纹扩展、合并为主的局部化损伤。     

圆柱/平面径向微动磨损特性及其对疲劳寿命的影响

从微动磨损特性出发,建立圆柱/平面微动磨损分析模型,通过ANSYS计算接触面的接触应力状态和接触面的相对滑移量,得到接触面的接触半径和微动磨损状况.将微动磨损条件下的疲劳寿命划分为微动磨损阶段、疲劳裂纹萌生和裂纹扩展3个阶段,给出接触疲劳应力下3个阶段的疲劳寿命计算方法,结合圆柱/平面径向微动磨损实例进行疲劳寿命估算.结果表明,接触面的应力集中导致裂纹萌生点,将单次施载的磨损量工况下疲劳寿命进行比较,得出微动磨损使构件的疲劳寿命降低,无微动磨损下疲劳寿命约为107.     

全风向来流非高斯风场风机疲劳寿命可靠性分析

在Hermite矩模型基础上,根据Kaimal谱生成某典型风机结构正常风速条件下,三种不同概率特性风场(高斯、非高斯硬化和软化),在考虑来流风向和平均风速联合概率密度条件下,以塔架基础连接处为例,对风机进行疲劳寿命可靠性分析.由叶片的气动模型和多体动力,计算出风机的动力响应,并对响应的时域和频域特性进行分析.基于线性损伤累积理论和Paris公式,对来流全风向条件下的裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命进行了详细讨论.结果表明,裂纹形成寿命对风荷载的非高斯性较为敏感,而裂纹扩展寿命对风荷载的非高斯性并不敏感,需要考虑风荷载的非高斯性对风机结构疲劳损伤的影响.此外,在考虑全风向来流条件下,疲劳裂纹形成和扩展阶段的失效位置相同,均在主导风向上.     

喷丸对渗碳件接触疲劳及裂纹萌生扩展的影响

通过一系列试验表明,渗碳后喷丸可使接触疲劳强度提高,在低接触应力下接触疲劳寿命明显增加。对接触疲劳裂纹萌生。扩展至失效全过程所进行的连续追踪观测发现,裂纹萌生于渗碳过渡区;渗碳喷丸后比未喷丸的裂纹萌生寿命增加,扩展速率减小;由钢丸坑连接而成的浅小裂纹为非扩展裂纹;在喷丸影响区,裂纹扩展不同于未喷丸试件,即主裂纹平行于表面扩展;分叉裂纹发生再次分叉向下扩展,从而使裂纹扩展后期速率减小。     

含表面梯度强化层的缺口样品疲劳起源寿命数值分析

以Tanaka和Mura的疲劳模型为基础,引入弹性应变能释放项,构建了新的适用于复杂载荷的疲劳模型.利用这一模型,结合表面梯度强化层的强度、模量和残余应力的梯度分布特征,对含表面梯度强化层的缺口样品的疲劳形核寿命分布及裂纹起源位置进行数值分析.分析结果表明:表面强化会增加样品的疲劳形核寿命,强化层厚度变化会改变裂纹形核位置.存在临界厚度,当强化层厚度小于临界厚度,裂纹形核于强化层与基体的界面;反之,形核于强化亚表层或表面.硬度比增加会导致临界厚度增加,过大的残余压应力会降低疲劳裂纹形核寿命.相同名义应力集中系数值(Kt)的样品在同一强化工艺处理后,其疲劳形核寿命和裂纹起源位置随样品缺口尺寸而改变.     

XCQ16和20Mn2车轴用钢疲劳失效的微观机理

利用扫描电镜(SEM)对XCQ16和20Mn2两种车轴用钢疲劳断口和裂纹扩展断口进行分析,研究疲劳失效过程中的裂纹萌生及扩展机理.结果表明:裂纹均是从试样表面萌生,非金属夹杂和位错是主要的萌生机制;XCQ16钢在疲劳断口中部区的裂纹闭合效应大于20Mn2钢,裂纹扩展较慢;两者在裂纹扩展区的扩展机理不同,XCQ16钢属于塑性断裂,20Mn2钢属于解理断裂;在非金属夹杂上,XCQ16钢多含氧化物和硫化物的混合夹杂,20Mn2钢主要是氧化物夹杂,混合夹杂对材料的疲劳性能影响较小.     

基于数字图像技术的沥青混合料反射裂纹扩展行为

为了研究不同加载模式下的沥青混合料反射裂纹扩展行为,对复合小梁试件进行复合型和弯拉型破坏荷载试验以及不同应力比状态的疲劳试验,并基于数字图像相关技术(digital image correlation, DIC)观测反射裂纹萌生至扩展全过程,从裂纹宽度、裂纹扩展路径、裂纹扩展高度及疲劳反射裂纹扩展速率深入分析其扩展行为。结果表明：沥青混合料反射裂纹扩展行为经历微裂纹萌生、微裂纹发展阶段、微裂纹向宏观裂缝转变、宏观裂缝快速发展4个阶段。反射裂纹扩展由主裂纹扩展以及次裂纹扩展构成,且次裂纹扩展速率高于主裂纹。采用logistic函数对混合料疲劳反射裂纹扩展量进行拟合是可靠的。研究成果对于完善沥青路面设计及其耐久性评价具有重要意义。     

基于工业CT图像的材料疲劳寿命预测

工业CT(industrial computer tomography,ICT)是在无损伤状态下得到材料断层的二维灰度图像,以图像的灰度来分辨被检断面内部裂纹的萌生、扩展情况.在分析材料的工业CT图像基础上,提出了一种疲劳寿命预测方法.首先将裂纹的萌生、扩展过程分为显微尺度细观裂纹、CT尺度裂纹和宏观裂纹3个阶段;然后采用不同的裂纹萌生、扩展标准对材料疲劳寿命进行预测;最后相加各阶段预测寿命,得到材料疲劳寿命.与疲劳累积损伤理论法、名义应力法等方法相比,该方法预测的材料疲劳寿命具有较高的精度.     

拉伸与低周疲劳载荷作用下夹杂物特征参数对航空用超高强度钢中裂纹萌生与扩展的影响

为了研究非金属夹杂物对航空用超高强度钢性能的影响,采用扫描电镜原位观测的方法,跟踪观察了拉伸和低周疲劳载荷作用下两种航空用超高强度钢中不同种类、形态和尺寸的夹杂物导致裂纹萌生与扩展的微观行为.结果表明,对于单个TiN和AlN夹杂,在拉伸载荷作用下,裂纹均首先在夹杂内部萌生.夹杂面积越大,夹杂内萌生的裂纹条数越多,第1条裂纹萌生所需的应力越小.在疲劳载荷作用下,对于单个TiN夹杂,裂纹也首先萌生于夹杂内部.但对于以点链状形式存在的AlN夹杂,无论是在拉伸还是疲劳载荷作用下,裂纹均首先在点链状夹杂内部两夹杂之间的母材中萌生,然后沿点链状夹杂向两侧扩展.以点链状形式存在的夹杂对材料疲劳性能的危害比单个夹杂严重得多,夹杂物对材料疲劳性能的危害远大于对拉伸性能的危害.