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.     

大型构件疲劳裂纹随机扩展寿命的预测

本文利用作者先前提出的疲劳裂纹扩展概率分析模型ｄａ／ｄＮ＝（ΔＫ／Ｋ０）ｍ（ｉ）／Ｚ（ｘ）对裂纹扩展进行数值模拟，进而提出常幅载荷作用下预测大型构件的疲劳裂纹随机扩展寿命的有效方法。数值模拟和以往的实验结果表明，本文所提出的方法能有效地模拟疲劳裂纹的随机扩展过程，推导出其扩展寿命的概率分布函数和进行可靠性分析，预测构件的寿命和推算其最小寿命。     

新的缺口试样尺寸系数经验公式

为了全面分析缺口试样尺寸效应,对两种材料(45#和Q235钢)的缺口板试样进行循环拉伸作用下的疲劳性能试验.结果显示:几何相似试样的缺口形状对疲劳寿命影响很小,可以忽略不计;除应力梯度外存在厚度效应,即该方向尺寸具有一个临界值,超过此值时会导致疲劳寿命下降.通过引入表征尺寸变化对疲劳性能影响的特征参量L/G珔,对几何相似试样的疲劳强度测试结果进行曲线拟合,并与采用Peterson法得到的计算值比较,发现文中提出的疲劳强度拟合表达式更有效.最后,根据疲劳强度表达式和尺寸系数的定义得到了拉伸作用下缺口试样尺寸系数的经验公式,该公式与实际情况吻合良好.     

低合金超高强度钢跨尺度疲劳失效行为分析

为了研究40CrNi2Si2MoVA低合金超高强度钢的跨尺度疲劳失效行为,以约束应力区描述材料的损伤过程,以跨尺度应变能密度因子作为疲劳裂纹扩展的控制参量,建立宏微观跨尺度疲劳裂纹扩展统一模型。采用上述模型,利用光滑试样(应力集中系数Kt=1)的试验S-N曲线,拟合出疲劳模型中的材料参数。当考虑材料微结构对疲劳寿命的影响时,该模型可精确再现出疲劳试验数据的发散特性。利用该模型对不同应力集中系数下(Kt=2,3)含缺口试样的疲劳寿命进行了预测,理论计算结果与试验结果吻合良好。研究结果表明,合金钢材料的初始缺陷及微结构的演化特性,对疲劳寿命有显著影响,是疲劳试验数据发散的主要原因。     

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。     

缺口对车轴钢疲劳性能的影响

采用钼丝进行线切割,制作了车轴钢表面缺口试样,运用有限元方法,计算了不同缺口的理论应力集中系数,通过旋转弯曲试验得到光滑试样和缺口试样的疲劳寿命(S-N)曲线,研究了不同缺口应力集中系数下车轴钢的参数变化规律.结果表明,缺口对材料疲劳寿命的影响,不仅仅表现在其S-N曲线相对于光滑试样S-N曲线整体下降,而且不同缺口S-N曲线左段的直线部分斜率也是不同的.     

一种估计疲劳缺口系数Kf的新方法

从能量观点出发建立了缺口局部应力应变分析的基本关系，以Ｋｆ－√ＫεＫσ作为Ｋｆ的定义式推导出包括材料循环特性、缺口根部塑性变形和理论应力集中系数等复杂因素综合影响的Ｋｆ关系式。采用恒幅疲劳试验结果对其进行了验证，并与其它Ｋｆ公式的结果作了比较。最后对上述Ｋｆ关系式进行了讨论。     

焊接残余应力对裂纹闭合与疲劳裂纹扩展速率的影响

本文试验研究了ＷＸ６０管线钢及其焊接接头中的疲劳裂纹扩展速率、裂纹闭合行 为及焊接残余应力的分布与变化特点。得到了两种试件中的ｄａ／ｄＮ～　Ｋ及ｄａ／ｄＮ～ 　Ｋｅｆｆ关系．发现两种试件中裂纹闭合的程度和原因是不同的。在焊接试件中有显著的 裂纹闭合现象，其原因是焊接残余应力的作用。而在管线钢基材中裂纹闭合现象较小， 闭合原因是裂纹尖端尾部的残余塑性变形。本文论证了用ｄａ／ｄＮ～　Ｋｅｆｆ来估算焊件 疲劳寿命的合理性。     

考虑应力梯度的多轴缺口件疲劳寿命预测方法

以缺口附近疲劳损伤影响区的场强为损伤参量,结合Manson-Coffin方程提出一种多轴比例加载下缺口件疲劳寿命预估方法.首先,借助坐标变换矩阵定义应变能密度最大的平面为临界面,克服了传统能量法作为标量难以描述裂纹萌生和扩展方向的不足.其次,利用有限元软件分析临界面上等效应力分布规律,拟合距离危险点5 mm内等效应力分布函数,通过求相对应力梯度函数的驻点确定疲劳损伤影响区的大小,以疲劳损伤影响区的场强作为疲劳损伤参量对Q345钢多轴缺口件进行寿命预估.最后,将利用该方法、局部应力应变法的预估寿命与试验寿命进行对比,结果表明:两种方法预估寿命的误差都在2倍因子以内,但由于该方法考虑了应力梯度效应,预估精度要优于局部应力应变法.     

Ti（C,N）基金属陶瓷的疲劳裂纹扩展速率

用ＥＨＦ－ＥＡ１０型电液伺服疲劳试验机研究了试样缺口处于拉－拉应力状态条件下，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）基金属陶瓷材料疲劳裂纹扩展ｄａ／ｄＮ－△Ｋ曲线；考察了化学成分变化及热处理对疲劳裂纹扩展的影响，观察了疲劳裂纹扩展区的新口形貌，对疲劳裂纹扩展机理进行了讨论。     

缺口件长短裂纹的分界及其确定

以４５号钢正火材料角边Ｖ形缺口试件为研究对象，对缺口根部应力应变场进行了仔细地分析和研究，利用弹塑性断裂力学理论，提出缺口根部分布Ｊ积分的概念。     

缺口小裂纹的疲劳扩展速率

将复型技术应用于疲劳小裂纹扩展试验中的裂纹长度测量。在等载荷比R=0.1、不同平均载荷水平影响的疲劳条件下,板试样V型缺口小裂纹疲劳扩展速率做了试验测试;通过结果分析,提出了缺口小裂纹疲劳扩展速率表达式,并以εp为控制参数,求出45~#钢的计算式。     

缺口物理短裂纹上下界的确定方法

根据缺口根部疲劳非扩展裂纹的性质及缺口根部应力应变场的特性，提出确定缺口物理短裂纹区间的方法，并解释其物理意义。最后用缺口短裂纹扩展的实验数据加以对照，验证其合理性。     

缺口根部残余应变与疲劳循环次数相关性

为了探索疲劳寿命与材料损伤之间的相关性,研究疲劳寿命的预测方法,对缺口根部的残余应变与疲劳循环次数的相关性进行了实验研究.对带缺口GH4169材料拉伸试件进行了疲劳试验,实验中按一定的疲劳循环周次在零载荷状态下停机,并采集试件表面上的白光散斑图;应用数字散斑相关技术测量缺口附近的残余位移场,求出缺口根部的残余应变,得到缺口根部残余应变与疲劳循环次数的相关性曲线,获得了一些对于研究GH4169材料的疲劳寿命很有意义的重要结果.     

CrNiMo钢缺口根部疲劳裂纹萌生的研究

本文采用单边缺口板状试样研究了四种含碳量的CrNiMo钢缺口根部的疲劳裂纹萌生寿命及其萌生机制。裂纹萌生可能有四种方式—沿驻留滑移带压入挤出、微孔聚集型切变、准解理和沿晶机制。文中论述了钢的含碳量、热处理规范及外加应力水平对裂纹形核机制的影响。研究表明:在双对数坐标中,表观循环应力范围和萌生寿命的关系可用两段不同斜率的直线来描述,两段萌生线的分界点随钢的强度水平提高而迅速向低周次范围推移,但两段的裂纹萌生均仍属于应力疲劳范畴。文中分析了微观塑性变形对缺口根部实际循环应力范围和应力循环比的影响,给出了对它们进行修正估算的方法。修正后的实际循环应力范围和萌生寿命的关系可用一条直线反映出来。在此基础上,提出了一种用光滑试样应力疲劳曲线估算缺口根部裂纹萌生寿命的新方法。     

GH36合金持久缺口敏感性与蠕变和疲劳及其交互作用下的裂纹扩展速率

研究了GH36合金持久缺口敏感性对裂纹扩展速率的影响。结果表明:通过软化的热处理制度来改善材料的持久塑性达到消除持久缺口敏感性的目的,对在蠕变或以蠕变为主的应力条件下延缓裂纹的扩展具有重要意义;而在低周疲劳或以疲劳为主的应力条件下,裂纹扩展速率对强度敏感,而与材料是否存在持久缺口敏感性无关;提高强度可显著提高材料的抗低周疲劳裂纹扩展能力。为使材料在蠕变、疲劳以及蠕变疲劳交互作用下都只有高的抗裂纹扩展能力,应对材料进行强韧化。     

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。     

U71Mn轨钢低周疲劳寿命的研究

通过对U71 Mn轨钢材料低周疲劳的试验,建立了Manson-Coffin关系式,从而为估算U71 Mn轨铜的低周疲劳寿命提供了依据,并根据尖锐缺口裂纹萌生的常规试验,提出了反映尖锐缺口曲率影响的弹塑性疲劳缺口系数K_f~p,据此建立了K_f~p与缺口裂纹萌生寿命N_i的关系.用这种方法同样可以预测材料的低周疲劳寿命.计算表明,两种方法的计算误差在10％以内.     

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.     

基于缺口应力法的焊接接头多轴疲劳分析

鉴于当前焊接接头疲劳评估曲线只适用于单轴加载情况,基于缺口应力法对焊接接头进行了多轴疲劳分析。通过联合焊接接头的多轴疲劳试验名义应力数据和有限元法所计算的缺口应力集中系数,获得了5种焊接接头的各向缺口应力;根据Von Mises、IIW和EESH 3种多轴疲劳准则计算出等效缺口应力并将其统一在同一坐标系统下;最后采用最小二乘法拟合出适用于多轴疲劳评估的缺口寿命曲线。与IIW标准推荐的单轴曲线相比,这些多轴缺口疲劳曲线具有更低的倾斜度和更高的疲劳等级,即多轴加载时明显降低了10~3~10~6次中周范围内的疲劳强度值,而对10~6~10~7次高周疲劳范围的影响则相对有限。