引入应变循环损伤的材料裂纹扩展行为预测模型

根据循环载荷下的裂尖循环弹塑性应力应变场分析,结合Manson-Coffin经验关系,定义了基于循环塑性区内材料塑性应变幅值的单位平均损伤;根据Miner疲劳线性累积损伤理论,以裂尖扩展方向的循环塑性区尺寸为裂纹裂尖的单位扩展量,提出了基于低周疲劳损伤预测I型裂纹扩展速率的新预测模型.新模型中给出的参数均有明确的物理意义,不需要人为调试.Cr2Ni2MoV和X12CrMoWVNbN 10-1-1两种转子材料的低周疲劳试验结果表明,新模型对这两种材料裂纹扩展速率的预测结果与试验结果吻合良好.利用相关文献中提供的6种材料的低周疲劳性能数据,进一步验证了新模型用于裂纹扩展速率预测的良好适用性.     

10CrNiMo高强钢的低周疲劳特性

采用圆形横截面光滑试样,通过轴向不同应变幅控制的低周疲劳试验,研究了10CrNiMo高强钢的低周疲劳特性,包括循环应力-应变行为、应变-寿命特点、循环应力响应及其力学滞后现象,给出了相应的疲劳参数、循环软硬化特性及应变滞后规律.对裂纹扩展方向及试样疲劳断口的观察表明:裂纹扩展面与轴向力呈现多角度关系,裂纹萌生于试样表面,沿断口周边分布,且具有多源性;疲劳裂纹主要以锐化--钝化机制扩展.     

铜长条薄板在疲劳载荷下裂纹聚合的试验研究和一个新发现

对铜长条薄板在疲劳载荷下2条相邻裂纹的聚合进行了详细的试验研究.按照经典的断裂力学分析,最初预计初始的疲劳裂纹应该在2条相邻裂纹之间产生,并且导致2条相邻裂纹聚合为一个复杂的新缺陷.但是试验发现:在某些情况下初始的疲劳裂纹扩展产生在远离2条相邻裂纹之间区域的裂纹外尖端上,即不是发生在2条相邻裂纹的内尖端上.只有当这个外裂尖在疲劳载荷下自相似扩展一定长度并止裂一段时间后,2条相邻裂纹之间的内部区域才产生第二条曲线裂纹,该曲线裂纹的扩展才引起聚合的发生,而在第二条裂纹扩展期间,第一条扩展裂纹始终处于止裂状态.这个现象超出了经典的疲劳裂纹萌生的基本理论,也无法用经典的应力集中理论来解释.     

低周疲劳下考虑累积塑性应变的裂纹板裂纹闭合效应研究

裂纹闭合效应发生在裂纹扩展过程中,影响着裂纹扩展速率,同时在裂纹尖端附近区域塑性应变的累积对诱发裂纹闭合效应以及结构破坏起着重大作用.为了研究裂纹扩展中复杂的闭合机理,以试验与数值模拟为基础,考察了裂纹闭合效应及其与累积塑性应变的关系,着重探究了应力比、循环次数、裂纹长度等相关因素的影响.研究结果表明,裂纹闭合水平与累积塑性应变及形成的塑性尾迹区之间存在着交互式的影响,且裂尖塑性应变的演化与尾迹区残余压应力场的关系能很好地反映裂纹闭合水平的变化过程,这为进一步研究低周疲劳裂纹闭合效应的复杂机理提供了新的途径.     

基于近场动力学的二维疲劳裂纹扩展模型

为模拟二维疲劳裂纹的扩展,建立了一种基于普通态基近场动力学的疲劳裂纹扩展模型.首先,在普通态基近场动力学模型的基础上,利用动态松弛算法得到最大循环载荷下键的应变值,并通过计算物质点的平均键应变值确定裂纹尖端位置及损伤区域.然后,在模拟过程中设置循环断键数,当损伤区域内的断键数达到循环断键数时,更新键的应变值并进行下一轮运算.最后,分别通过模拟紧凑拉伸试样和中心斜裂纹板的疲劳裂纹扩展来验证模型的有效性.结果表明,设置合适的循环断键数后,模型计算效率得到提高,且能获得精细的裂纹扩展路径和准确的裂纹扩展速率,所得裂纹扩展路径及a-N曲线均与试验结果一致.     

基于材料循环RVE的Ⅰ型椭圆裂纹疲劳扩展理论模型研究

基于材料循环RVE和平面应力裂纹尖端循环塑性区内的塑性应变能,建立了Ⅰ型穿透裂纹的疲劳扩展速率SHI-CAI模型。结合7075-T6材料和结构裂纹前缘疲劳扩展最小寿命假定,研究远端拉伸板中半椭圆表面裂纹的疲劳扩展规律,并进行了试验验证。结果表明,结构裂纹前缘疲劳扩展最小寿命假定可用于描述了Ⅰ型穿透裂纹和结构裂纹疲劳扩展之间的联系。最后结合所提出的结构裂纹疲劳扩展理论模型,研究了远端拉伸板中半椭圆裂纹和椭圆嵌入裂纹的疲劳扩展规律。     

用CTOD描述高应变区疲劳裂纹扩展速率

本文针对压力容器接管部位高应变区的特点,试用一种双面开键形槽的三点弯曲试件模拟其特征,其中以弹塑性断裂参量CTOD(δ)作为控制该区内裂纹疲劳扩展的主要参量,并采用双引伸计法动态测量CTOD.试验结果表明:在循环载荷作用下,高应变区在亚临界裂纹扩展范围内,疲劳裂纹扩展速率(da)/(dN)在双对数坐标上与裂纹尖端的张开位移△CTOD(△δ)呈线性关系:△CTOD可以作为控制高应变区应力循环和应变循环条件下,疲劳裂纹扩展速率的力学参量,且与(da)/(dN)呈Paris定律的形式.     

Q345钢对接接头低周疲劳性能试验研究

采用等幅轴向低周疲劳试验,通过疲劳寿命、循环应力-应变响应特征及应力-应变滞回曲线等指标研究了Q345钢对接接头的疲劳性能,观察了疲劳断口宏观特征,并在试验研究和有限元分析的基础上,建立了该焊缝材料的疲劳寿命预测公式.结果表明:焊缝材料初始阶段表现为明显循环硬化现象,后期为轻微循环软化,总体上提高了材料的强度及疲劳性能;随着轴向位移的增加,应力幅增大,循环硬化率线性减小;滞回曲线光滑、饱满,材料耗能能力稳定;疲劳断口可明显划分为裂纹源区、裂纹扩展区和裂纹瞬断区,为典型疲劳破坏断口.得到的疲劳寿命预测公式对实际工程中Q345钢结构的疲劳分析和寿命预测具有重要意义.     

Z3CN20—09M铸造奥氏体不锈钢的低周疲劳行为

采用径向应变控制研究了Z3CN20-09M奥氏体不锈钢在室温和350℃高温下的低周疲劳行为．Z3CN20-09M不锈钢表现为先硬化后软化的循环特性,但硬化的程度取决于温度和应变幅．随着应变幅的增加,Z3CN20-09M钢的低周疲劳循环寿命逐渐减短,而相同循环次数下应力幅也随之提高．温度对Z3CN20-09M钢的低周疲劳行为影响较大,与室温相比高温下的循环硬化程度更高,相同应变幅下高温的低周疲劳寿命也高于常温下的寿命．通过疲劳实验的原位观察发现,奥氏体内的滑移面、夹杂物及奥氏体和铁素体两相的界面是疲劳裂纹可能的形核位置,奥氏体和铁素体两相的不协调变形使相界处产生应力集中,导致疲劳裂纹容易沿两相界面扩展．     

桥式起重机桥架疲劳裂纹扩展的数值分析

采用有限元方法,计算某桥式起重机桥架的最大主应力分布,通过应力状态判断桥架某处裂纹的主要断裂类型,并利用扩展有限元方法(XFEM),计算桥架在最大载荷和最小载荷两种状态下不同裂纹长度时裂纹的尖端应力强度因子(SIF),由此根据Paris疲劳裂纹扩展公式的基本理论,描述该处疲劳裂纹扩展的基本规律,建立裂纹长度与交变应力循环周期数的函数关系,对起重机桥架裂纹短期内快速扩展的原因给出量化分析。结果表明,低应力的循环作用是该处裂纹形成和快速扩展的原因。     

Inconel 718合金短管高温低周疲劳行为

基于位移循环加载试验,对反应堆压力容器密封元件Inconel 718合金O形环短管试样变形幅控制下进行了常温和300℃高温低周疲劳试验研究.结果表明,在循环加载中试样发生接触力松弛,当位移压缩比峰值不低于8%且压缩比幅值超过0.6%时试样会产生低循环疲劳失效.采用弹塑性接触有限元方法对引发疲劳裂纹的试样危险局部的应力应变进行了分析,给出了位移压缩比幅值与危险局部应变幅值的短管疲劳寿命估算式.疲劳试样断口微观分析表明,在初始大变形引起的裂纹萌生区,断口微观形貌表现为晶体滑移与解理撕裂,而在裂纹扩展区表现为解理撕裂与疲劳辉纹共生的混合型裂纹扩展.     

蠕墨铸铁的低周疲劳裂纹扩展速率

为评估高速列车蠕墨铸铁制动盘寿命,开发了钛合金低温(-50℃)整体夹式引伸计和计算机试验数据采集系统,实时同步采集试件缺口张开位移、低周循环次数和载荷位移。采用柔度法通过试件缺口张开位移计算出裂纹长度,以确定疲劳裂纹扩展速率。试验结果表明:所得原板厚试样室温(25℃)与低温(-50℃)低周疲劳裂纹扩展速率曲线趋于一致。在试验温度范围内(-50～25℃)可统一使用室温低周疲劳裂纹扩展速率试验结果。     

C—M公式的理论推证

本文从低周疲劳裂纹扩展速率和循环应力-应变响应出发,通过引入修正因子,从理论上推证了C-M公式,并对公式中的常数进行了估计和讨论。     

橡胶增韧环氧树脂增韧机理的断裂力学研究

测量了 ＣＴＢＮ增韧环氧树脂的ＪＲ阻力曲线，利用理想弹塑性平面应变Ｉ型定常扩展裂纹的局部解及塑性介质中孔洞演化的Ｒｉｃｅ－Ｔｒａｃｅｙ方程，近似计算了裂纹尖端附近的孔洞化塑性体膨胀和残余应变能密度。通过对增韧机制的力学分析．得到定常扩展裂纹与起裂状态时的断裂韧性差值与 ＣＴＢＮ体积分数及材料断裂应变的关系式，它对环氧基材料的增韧设计有一定的指导意义。     

多晶体循环应力—应变曲线的理论模拟

采用ＫＢＷ自洽理论和以前提出的单晶硬化律，对铜多晶体的循环应力－应变曲线进行了理论模拟，其范围包括高周疲劳阶段和低周疲劳阶段。结果与有关实验定量相符。理论模拟还证实了多晶体循环应力－应变曲线没有平台区     

扩展中裂纹尖端位移场、应变场──moire放大倍增技术在断裂力学中的应用

应用放大ｍｏｉｒｅ倍增和动态ｍｏｉｒｅ技术对软钢平面应力Ｉ型裂纹试件进行实验，得到以下主要结果，取到裂纹线弹性皮．小范围屈服，大范围屈服段，裂纹起裂，稳态扩展，稳恒扩展，失稳扩展段的裂纹尖端位移场和应变场。给出了裂纹扩展量△ａ与应变尺寸Ｒ（ε）的关系曲线。给出裂纹扩展过程中张开角ＣＯＡ的变化。对裂纹张开位移ＣＯＤ与σ／σｓ的曲线在较小范围屈服条件下与Ｗｅｌｌｓ计算结果进行了比较。对～ε０／εｓ曲线进行了讨论。     

复合应力状态下砂岩损伤演化与裂纹扩展特征试验研究

为从细观尺度上研究复合应力状态下岩石中裂纹的扩展,采用数字图像相关技术,对砂岩人字形切槽巴西圆盘试件展开试验研究。基于试验中获取的试件在加载全程中的裂缝开口位移、全场域的应变场和位移场的分布和演变规律,对岩石的损伤演化及裂纹扩展机制和特征进行分析。结果表明:复合应力状态下岩石的损伤演化具有明显的阶段性;主要断裂形态为翼裂纹和次生裂纹,均为拉剪复合型裂纹;翼裂纹起裂位置随加载角度增大向试件中心靠近,沿曲线路径向加载点扩展,扩展中主导机制为拉伸;次生裂纹从柱面边缘起裂,以较平直路径向切缝尖端或切缝上某处扩展,扩展过程快速而不稳定,拉伸与剪切在其扩展机制中所占比重随加载角度变化。     

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。     

基于CVGM断裂预测模型的梁柱焊接节点的超低周疲劳分析

钢框架梁柱节点在罕遇或极罕遇地震作用下由于地震幅循环次数少而容易发生超低周疲劳断裂,而空穴循环增长模型(CVGM)从初始裂纹与裂纹扩展两阶段评估梁柱焊接节点的超低周疲劳断裂的性能.利用CVGM理论分析超低周疲劳断裂机理与CVGM疲劳模型的参数,然后编写CVGM断裂预测模型的FORTRAN程序,基于该程序计算梁柱焊接节点有限元模型在恒幅与变幅位移荷载作用下的断裂指数FI_c,进而评估不同加载机制下焊接节点的超低周疲劳性能.结果表明,负载下梁柱焊接节点的焊趾与焊接工艺孔处应力高度集中并最先起裂,随着加载的位移幅的增大,FI_c逐渐增大,疲劳循环次数随之降低,表明CVGM模型预测超低周疲劳性能的有效性.     

疲劳裂纹尖端塑性区的云纹法测定

本文用云纹法获得了GCr15钢经拉一拉疲劳试验后裂纹尖端的云纹信息,计算处理得出裂纹尖端塑性区的主应变场,其形状好似蝴蝶,建立了蝴蝶形主应变场的数学式子。实验结果表明:与轴呈45°方向上的ε_x为零且主应变场梯度最小,而沿裂纹方向主应变梯度最大,间接地证实了Laird的展性裂纹扩展钝化机制。