航空铝合金预腐蚀疲劳寿命退化规律

航空铝合金材料在服役过程中常因腐蚀损伤而导致疲劳断裂问题,通过采用扫描电镜及疲劳寿命测试等方法,研究了不同预腐蚀损伤对2xxx铝合金在不同应力比下疲劳寿命的影响,探讨了预腐蚀损伤对疲劳裂纹萌生扩展的影响机理.结果表明:预腐蚀损伤对2xxx铝合金材料疲劳寿命的影响显著,材料的疲劳性能随着腐蚀损伤程度的增加而明显下降.同时建立了预腐蚀损伤对材料疲劳极限的影响系数C-T-R模型,材料疲劳极限的影响系数C随着预腐蚀时间的增加或者应力比R的增加而变大.断口分析表明,预腐蚀损伤的存在导致裂纹萌生寿命大大缩短,裂纹萌生由单源转变为多源,并且均萌生于腐蚀坑处.     

管道表面蚀坑-裂纹的应力强度因子分析

针对在役的海底管道遭受腐蚀疲劳损伤时其管道表面出现点蚀坑问题,应力强度因子成为衡量蚀坑向裂纹转变的临界条件之一.断裂力学的腐蚀疲劳寿命分析的基础是腐蚀疲劳裂纹扩展,裂纹的不稳定扩展又由应力强度因子来判别.因此,在腐蚀疲劳破坏中,将点蚀坑和应力强度因子结合起来研究变得尤为重要.基于应力集中是导致裂纹萌生的主导因素,建立了双参数蚀坑模型,合理地解释了腐蚀疲劳裂纹在蚀坑处萌生位置差异的现象.在管道内流体压力的作用下,管道外表面轴向I型裂纹在环向应力的作用下成为最为危险的一种裂纹型式.基于线弹性断裂力学,利用ABAQUS软件,在管道内压作用下,采用二维模型,对管道表面的轴向I型蚀坑+裂纹的应力强度因子展开了分析.结果显示,蚀坑对裂纹应力强度因子的取值产生明显影响,可显著降低裂纹扩展的门槛值.进一步采用三维模型,利用扩展有限元法,对影响轴向I型蚀坑-裂纹应力强度因子的蚀坑参数开展了敏感性分析.结果显示,蚀坑参数的不同,对蚀坑-裂纹应力强度因子、裂纹形状因子的影响趋势各异.随着蚀坑参数深径比?、深度d的增大,蚀坑-裂纹应力强度因子的取值也逐渐变大;蚀坑参数深径比?、深度d对形状因子F取值的影响存在一定的区间效应.     

核电站凝汽器用钛焊管蒸汽腐蚀疲劳性能研究

测定了国产和进口核电站凝汽器用钛焊管在室温大气和人工海水100 ℃水蒸汽介质中的疲劳性能,同时采用扫描电子显微镜对疲劳断口进行了观察,探讨了钛焊管的蒸汽腐蚀疲劳机理。研究结果表明：国产钛焊管与进口钛焊管的疲劳寿命较为接近,水蒸汽氛围大幅度降低了钛焊管的疲劳寿命;疲劳试样的裂纹均萌生于钛焊管焊缝区域的外表面,多为多源萌生,裂纹扩展均以条纹机理为主;断口处有少量二次裂纹,未发现沿晶断裂及周期解理断裂特征,静断区断口形貌为韧窝;从蒸汽腐蚀疲劳试样中,未能观察到明显的腐蚀产物;钛焊管的蒸汽疲劳腐蚀是交变应力和电化学腐蚀交互作用的结果。     

40CrNiMo钢工程短疲劳裂纹扩展规律

对调质40CrNiMo钢光滑及缺口试样进行了旋转弯曲疲劳试验,利用塑性复型技术实现了对工程短疲劳裂纹扩展过程的显微观测、由实验获得光滑试样的短裂纹扩展可由方程do/dN=Bσ~nα予以确定性描述。对于缺口试样的应力接近屈服极限时,疲劳损伤表现为萌生大量的短裂纹体系,利用等效裂纹概念进行统计,缺口试样的短裂纹扩展具有与光滑试样相似的规律。     

7075-T6铝合金搅拌摩擦焊接头腐蚀疲劳断口

利用电子显微镜和扫描电镜对7075-T6铝合金搅拌摩擦焊接头腐蚀疲劳断口进行研究,分析了 7075-T6铝合金搅拌摩擦焊接头腐蚀疲劳裂纹的发展过程。结果表明,搅拌摩擦焊接头腐蚀疲劳裂纹萌生 于焊核区和热力影响区的交界处并逐渐向热力影响区内部扩展,最终延伸并断裂于热影响区。腐蚀疲劳断 口存在多个裂纹源,裂纹源萌生于腐蚀坑处。腐蚀疲劳裂纹扩展分为低速扩展、稳态扩展和快速亚稳态扩展 3个阶段。在低速扩展阶段,产生了很多点蚀坑。在稳态扩展阶段,腐蚀疲劳具有脆性断裂特征。在快速亚 稳态扩展阶段,循环荷载成为裂纹扩展的主要驱动力而腐蚀作用的影响减弱。腐蚀疲劳裂纹扩展的瞬断区 呈现以脆性断裂为主的断裂特征。     

应力水平对2219铝合金腐蚀损伤力学性能的影响

为明确应力水平及暴露时间对2219铝合金腐蚀损伤力学性能的影响,选择在不同应力水平作用下暴露于EXCO腐蚀溶液中,经不同时间加速腐蚀后的2219铝合金试样,开展表面蚀坑深度测量、力学性能测试、拉伸断口形貌观察试验。结果表明,应力水平、暴露时间都是影响试样应力腐蚀损伤发展从而影响材料力学性能变化的重要因素。在腐蚀的初期阶段,即0.0~1.5 h,应力水平因素的影响有限;当暴露时间大于等于2.0 h,应力水平引起的以蚀坑平均深度为表征的腐蚀损伤更加显著。但在试验时间（2.5 h）内,应力水平对腐蚀损伤所产生的影响小于暴露时间,因而对材料力学性能变化的影响也小于暴露时间。腐蚀损伤造成的点蚀坑、微裂纹破坏了材料的连续性,使试样材料的抗拉强度、延伸率、弹性模量等力学性能指标下降,是促使材料在拉伸试验中没有经过充分的塑性变形阶段就发生瞬间断裂的重要原因。深度大的点蚀坑、微裂纹,可能成为断口主裂纹的起源。     

腐蚀环境对TC21钛合金疲劳行为的影响

基于飞机零部件在服役过程中因腐蚀导致疲劳断裂的问题,采用疲劳试验机、扫描电子显微镜对TC21钛合金在两种腐蚀环境以及室温空气环境下的疲劳进行了研究。结果表明,相同环境下随着应力降低,合金晶体内部位错累计能量速率减缓,合金疲劳寿命增加。同等应力条件下,3.5%NaCl水溶液环境下合金疲劳寿命最低,油箱积水环境下次之,室温空气环境下合金疲劳寿命最高。当应力较低时,差异更为显著。腐蚀环境下试样疲劳寿命较低,主要原因在于合金与溶液中离子发生反应形成大量腐蚀产物,促进裂纹萌生、加速裂纹扩展。     

含腐蚀坑结构损伤演化评估过程

基于有限元理论并结合局部应力应变法, 得到了确定尺寸腐蚀坑底部在疲劳载荷作用下产 生非扩展裂纹的萌生寿命值;采用断裂力学模型 通过求解数值积分和非线性方程,得到了微裂纹 扩展到极限尺寸的寿命值和等效裂纹的尺寸;采 用神经网络技术建立了腐蚀坑尺寸与等效裂纹尺 寸之间的非线性映射关系。     

不同轴重下轮轨损伤行为研究

利用MMS-2A摩擦磨损试验机开展轮轨滚动接触模拟试验,探讨研究了轮轨试样在不同轴重下的损伤特性.结果表明:轴重的增加使得轮轨间摩擦系数变大,车轮和钢轨的磨损加剧,其主要磨损机制由轻微剥落向严重剥落发展.随着轴重的增加,轮轨试样断面累积塑性变形厚度以及疲劳裂纹萌生的概率都显著增大.在相同轴重下,钢轨试样累积的塑性变形厚度较大,疲劳裂纹萌生的概率也大.随着轴重的增加,轮轨试样疲劳裂纹扩展速率变大,疲劳损伤明显加重.     

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。     

450℃～20℃循环温度幅下车轮铸钢热疲劳破坏行为探讨

研究了一种铸钢车轮材料在450℃～20℃热循环下破坏行为．试样在经受热疲劳实验之后，利用光学显微镜和扫描电镜分别对试样表层、次表层和断口进行观察，综合得到试样的热疲劳破坏机理．研究发现，试样表面未出现明显的破坏，仅有一些腐蚀坑和微裂纹；次表层上主要分布着少量细小的氧化腐蚀坑，次表层和表层的失效非常吻合．试样断口上发现了一些二次裂纹和典型的局部脆性断裂特征，这表明尽管试样表面破坏尚不明显，但试样内部已经出现了开裂现象．实验还发现试样内部的一些夹杂物成为一种重要的热疲劳裂纹源，断口二次裂纹优先沿着试样内部的一些缺陷扩展．     

钢筋混凝土梁腐蚀疲劳断裂微观结构分析

在钢筋混凝土梁腐蚀疲劳试验的基础上,对钢筋断口做扫描电镜和化学分析,研究了腐蚀介质在钢筋疲劳断裂中起的作用.研究表明,在腐蚀介质中,弯曲腐蚀疲劳的钢筋断口同样存在裂纹源区、疲劳发展区和断裂区,钢筋腐蚀疲劳寿命的降低,是腐蚀介质和反复弯曲拉应力共同作用的结果.这种作用加速了初始裂纹的萌生和疲劳裂纹的扩展,并始终存在于疲劳发展直至断裂的全过程,说明腐蚀疲劳的机制与具体的环境密切相关.     

车轮铸钢材料热循环表面氧化特征分析

研究了车轮铸钢在不同温度幅下热疲劳损伤表面及次表层行为．研究发现，表面氧化及剥落现象和氧化物的开裂随循环上限温度的增高而愈加严重；次表层损伤以裂纹为主，附带一些蚀坑．其损伤机理是由于氧化脱碳使铁素体区形成腐蚀坑，腐蚀坑的连接形成微裂纹，热疲劳主裂纹优先通过铁素体区氧化腐蚀坑而向前扩展．     

基于损伤力学的疲劳全寿命数值预估方法

疲劳失效是影响结构件使用安全的主要问题,对疲劳寿命进行准确预测具有重要的工程意义。基于采用平均应力修正的损伤力学演化模型,结合有限元法建立了同时考虑裂纹萌生与扩展的疲劳全寿命数值预估方法。为了验证该方法,开展了不同应力水平下铝合金开孔板试样疲劳试验与疲劳数值模拟。结果表明,基于所建立的疲劳数值分析方法能够有效预测开孔板裂纹扩展过程及疲劳全寿命,预测寿命误差带在两倍以内。     

钢筋宏电池腐蚀锈坑的二维模型及其断裂性能

钢筋的疲劳断裂行为与其裂纹周边的局部性能密切相关,为了研究产生宏电池腐蚀后钢筋的疲劳断裂性能,本文在试验研究的基础上提出了钢筋产生局部锈蚀后纵向锈坑尺寸的二维模型;基于理论分析得到了用于表征钢筋局部锈坑处Ⅰ型裂纹端点区域应力应变场强度的应力强度因子表达式.     

690合金的Pb致应力腐蚀行为

采用反U型试样,对690合金样品在高压釜内进行了4400 h的应力腐蚀实验,以研究其在含Pb溶液中的应力腐蚀规律.利用扫描电镜和能谱仪等分析了690合金在含Pb高温高压水环境中的应力腐蚀行为.扫描电镜结果表明,690合金在测试溶液中发生穿晶型应力腐蚀开裂,裂纹内部堆积着腐蚀产物,并且Pb掺杂在其中.裂纹区域的元素面扫描表明,690合金表面生成的腐蚀产物膜内层富Cr、外层富Ni,腐蚀产物与基体膨胀系数的差异导致裂纹快速扩展.试样内外表面的腐蚀形貌差异明显,内壁呈晶格网状,外壁呈一定方向性腐蚀沟堑,主要是由于内外表面状态不同造成的.     

ZG20MnSi钢的疲劳及腐蚀疲劳断口分析

利用PQ1-6型旋转弯曲疲劳试验机和TSM-1扫描电子显微镜对ZG20MnSi钢进行了空气与水两种介质的对比疲劳试验,探讨了ZG20MnSi钢在水中的条件疲劳极限比在空气中低得多的原因。在水中的试样表面能形成多处裂纹核心,这些裂纹核心在交变应力作用和水的腐蚀作用下得以快速扩展。腐蚀作用一方面使材料表面出现腐蚀坑成为裂纹核心,另一方面腐蚀作用产生的氢进入材料中与位错之间发生交互作用,形成Cottrell气团,造成位错塞积,也能导致裂纹核心的形成,氢还能降低材料原子间结合力,使裂纹尖端表观屈服应力降低,发生滞后塑性变形,加速裂纹的扩展。     

基于声发射监测的316LN不锈钢的疲劳损伤评价

疲劳裂纹的萌生与扩展容易导致压力容器及管道的严重疲劳失效.因此就设备的安全可靠性而言,非常有必要对疲劳裂纹扩展过程进行监测,并对疲劳损伤程度进行评估.本文针对316LN不锈钢材料进行疲劳实验研究,利用直流电位法测量实验中的裂纹长度,得到了材料的疲劳裂纹扩展曲线.利用声发射技术对疲劳裂纹扩展过程进行监测,通过声发射多参数分析对疲劳损伤状态进行评价,同时建立了声发射参数与线弹性断裂力学参数之间的关系,并进行寿命预测.研究表明:声发射能够对316LN不锈钢的疲劳裂纹损伤进行有效评估,声发射累积参数如累积计数、累积能量和累积幅值曲线上的转折点标志着疲劳裂纹进入快速扩展阶段,这可以为工程人员提供失效预警;声发射波形和频谱分析表明,噪声信号的幅值较小且信号持续时间较长,信号包含的频率成分比较复杂,而裂纹扩展信号是突发型信号,衰减较快,信号频率主要集中在80～170 kHz范围内;声发射计数率、能量率和幅值率与应力强度因子幅度以及疲劳裂纹扩展速率之间呈线性关系,裂纹长度预测结果与实测值接近.本研究工作对于工程结构的疲劳失效预警和剩余寿命预测具有重要意义.     

阳极溶解型应力腐蚀点蚀演化的能量原理

作为一种不可逆的热力学过程,阳极溶解型应力腐蚀点蚀的演化受到表面能、体系应变能和电化学能的影响。基于能量学原理,对应力腐蚀点蚀演化过程中的能量问题进行研究,提出一种双变量半椭球模型描述点蚀的演化过程,推导点蚀形状参数在演化过程中的变化方程,并讨论远场应力等参数对点蚀形状参数以及体系能量变化的影响。结果表明:点蚀的形貌由初始的半球形状逐渐演化为半长椭球;点蚀的演化形貌为体系应变能与点蚀内表面的表面能共同竞争的结果,应变能加速点蚀形状参数的变化,而表面能则抵制点蚀的形状演化;远场应力对体系热力学势能的变化影响显著。     

循环弹塑性有限元分析在低周疲劳中的应用

0 引言由于对低周疲劳问题的研究,人们注意到循环塑性应变终究是造成疲劳累积损伤的根本原因。对于实际结构由于缺陷的存在或几何形状等原因,在结构中形成了应力集中源,这些地方由于局部应力超出屈服极限,局部材料进入塑件状态,而产生塑性累积损伤。裂纹总是从这些地方首先萌生。因此为了用局部应变法确定结构的疲劳裂纹萌生寿命,首先就要确定出应力集中源,以及应力集中处的应力、应变历史。有限单元法是进行应变分析的一个有力的