TC17合金电子束焊接接头高周疲劳失效行为研究

电子束焊接构件广泛应用于航空发动机关键部位,其需要满足长寿命与高可靠性的设计要求.针对TC17合金电子束焊接接头,采用旋转弯曲疲劳试验方法,获得焊接接头的高周疲劳性能,同时利用电子扫描电镜对疲劳断口进行微观观察,探明焊接接头的高周疲劳裂纹萌生和扩展机理.结果表明,TC17合金电子束焊接接头在10~7周次的疲劳强度为450 MPa,约为母材强度的81%,试样失效位置均位于焊缝区;试样表面最大应力与内部气孔缺陷处应力集中形成竞争机制,在10~5～10~7周次内,裂纹萌生于内部气孔,在10~7周次后,裂纹萌生于试件表面;试样断口显示出明显的穿晶断裂区和沿晶断裂区,疲劳寿命随沿晶断裂区的应力强度因子下降而增加;气孔面积及真实应力为影响疲劳寿命的主要因素,气孔处应力强度因子与疲劳寿命呈线性下降关系.     

多轴微动疲劳损伤行为

通过柱面对柱面的接触方式,对35CrMoA钢在拉扭复合载荷作用下的低周微动疲劳特性进行研究,并采用光学显微镜和扫描电子显微镜对微动疲劳试样的微动斑和断口形貌进行观察,讨论分析了微动摩擦磨损对材料微动疲劳失效行为的影响。结果认为,微动区产生的氧化物磨屑加剧了表层材料的磨损,微动摩擦还促使疲劳裂纹源加速萌生,最终使材料在微动摩擦磨损区边缘断裂失效。     

焊接对热轧H型钢高应变低周疲劳行为的影响

对热轧H型钢热轧和焊接后的高应变低周疲劳循环应力响应曲线、循环应力应变关系和应变寿命关系进行了分析,通过Coffin-Manson公式得到疲劳寿命计算公式,计算出Nf=100周时的循环韧度值σa·Δεt。结果表明,H型钢焊接试样的循环韧度比热轧试样的循环韧度降低38%。热轧试样表现出明显的循环稳定特性,焊接试样表现出循环软化直接断裂的应力响应特征。焊接试样的断口扫描电镜观察发现,疲劳裂纹在焊接接头的粗晶区表面处萌生,断口瞬断区具有明显的韧窝特征,表明材料焊接后保持较高的韧性。     

搅拌摩擦焊搅拌头疲劳失效的模拟研究

利用ANSYS Workbench与ANSYS nCode Designlife分别建立了搅拌摩擦焊过程搅拌头的静力学与疲劳模型. 结合搅拌摩擦焊过程中搅拌头受到的作用力载荷谱,以及推导出的搅拌头扭矩的计算公式,讨论了前进阻力、侧向力、下压力和扭矩对搅拌头疲劳寿命的影响. 仿真结果表明,搅拌摩擦焊接过程中搅拌针的根部是主要的应力集中区,造成搅拌头疲劳失效主要发生在搅拌针根部. 前进阻力是造成搅拌头疲劳失效的主要原因,侧向力及扭矩对疲劳失效的作用则比较小,下压力对于搅拌头的疲劳寿命的增加有利.      

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.     

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。     

用不预裂圆柱试样测试K_(IC)的研究

本文介绍了用仅有V形切口而不预制裂纹的圆柱试样测试材料平面应变断裂韧度的新方法.试样经拉伸断裂后,断口仍明显分为环形裂纹和圆截面脆性断口两部分,两者的分界线即为裂纹失稳扩展的临界位置.通过断裂图可精确确定临界载荷,从试样断口可准确测量脆性断口直径;而且圆柱试样能理想地满足平面应变和小范围屈服的条件,因此,可测定材料平面应变断裂韧度的准确值.由于该方法不需要单独预制裂纹,设备简单,方法简便,故易于推广.     

开槽位置对搅拌摩擦加工制备SiCp/铝基复合材料均匀性的影响

采用搅拌摩擦加工技术(FSP)制备SiCp增强铝基复合材料,研究不同开槽位置对SiCp分布均匀性的影响.结果表明:开槽位置影响塑性金属随搅拌头的迁移流动方式,导致复合材料宏观形貌和颗粒分布均匀性存在较大差异,轴肩作用区SiCp分布较为均匀,开槽位置处含量较高,SiCp分布不对称于加工中心.对不同开槽位置(前进侧、中间、返回侧)下复合材料横截面进行成分半定量分析表明:SiCp均匀性优劣程度依次为开槽位置位于前进侧、中间、返回侧.随着加工道次增加,塑性金属变形量增加,材料流动性增强,搅拌加工区域面积增大,前进侧开槽位置3道次加工后增强相SiCp破碎细化且均匀分布.     

风机叶片根部连接螺栓的弯曲疲劳试验研究

在叶轮旋转过程中,位于风机叶片根部用于紧固的连接螺栓因受到周期性的弯曲应力而容易疲劳.弯曲疲劳是造成螺栓松弛、损伤甚至断裂的重要原因.本研究以某风电厂2 MW风机高强连接螺栓为研究对象,利用PQ1-6弯曲疲劳试验机开展螺栓试样的旋转弯曲试验研究;通过宏观分析、化学成分分析、显微组织检测及扫描电子显微镜断口微观分析等方法,探究试验过程中螺栓材料的组织演变规律,研究螺栓失效的微观机理及其疲劳损伤的发展过程.结果 表明:在250 N的负荷下螺栓的旋转弯曲疲劳寿命为76200周次;由旋转弯曲疲劳载荷引起的螺栓试样组织演变和疲劳损伤累积呈全域性分布特点,并在螺栓试样材料的不同部位形成了疲劳影响带,且其距离断口越近材料组织的疲劳损伤程度越大;疲劳损伤带由表及里向试样内部扩展;断口处疲劳裂纹从试样表面开始萌生,断裂机理为韧性断裂;螺栓材料中的夹杂物加剧了弯曲疲劳裂纹的集中和扩展,进一步缩短了螺栓的疲劳寿命.     

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.     

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.     

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.     

基于改进裂纹扩展模型的船舶焊接结构疲劳寿命可靠性预报

摘要： 结合考虑应力比的改进Paris公式,推导焊接结构疲劳极限状态方程.采用数值积分方法求解疲劳裂纹扩展寿命,结合Monte Carlo模拟方法给出了船舶结构疲劳寿命可靠性预报的流程,并对某大型集装箱船甲板进行了疲劳寿命可靠性预报,讨论了各参数对预报结果的影响.结果显示,采用数值积分方法的计算结果与cycle-by-cycle方法的计算结果差别较小,而计算速度相比于cycle-by-cycle方法有显著提高.此外,改进Paris公式的应用可以减小预报结果的变异系数,初始裂纹尺寸对疲劳寿命及可靠性影响显著,最终裂纹尺寸则影响不大.文中所述数值积分方法和可靠性预报流程可为工程结构快速进行疲劳裂纹扩展寿命计算或疲劳寿命可靠性预报提供参考.     

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。     

钢桥板疲劳裂纹修复进展及合金贴片法研究

为加深对正交异性钢桥面板疲劳开裂问题以及疲劳裂纹修复技术研究的认识,首先对钢桥面板的疲劳开裂特征进行阐述,通过文献调研梳理了钻孔止裂法、加补强板法、热修复法、机械修复法以及组合桥面铺装改进法的相关应用与研究,并探讨各种修复方法的修复机理及适用性。最后展望了智能材料形状记忆合金（shape memory alloy,SMA）在未来钢桥面板疲劳裂纹修复中的应用前景。研究结果表明：钢桥面板疲劳开裂修复受重载交通量大、焊缝数量众多及操作空间狭小等特殊现场环境制约,需根据不同裂纹特征开展针对性修复工作。提出的形状记忆合金修复法在钢桥面板疲劳裂纹修复工作具有前瞻性。其中SMA-CFRP组合贴片利用SMA丝材产生的预应力和CFRP提供的刚度相结合,进一步强化对裂纹开展的抑制效果,而粘贴铁基SMA板在具备以上优点的同时还兼具易施工和低成本的优势。因此采用SMA贴片法可为钢桥面板疲劳裂纹修复提供新思路,有望延长钢桥面板的使用寿命。     

V形开槽修补道路反射裂缝的抗开裂性能

为研究沥青路面反射裂缝的修补方法,本文根据反射裂缝的宽度设计了三种结构的修补材料,首先利用车辙试验、弯曲小梁试验、浸水马歇尔、冻融劈裂试验分别评价了修补材料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性;其次通过拉拔强度试验与剪切强度试验确定了粘结剂的最佳洒布量;最后通过全场应变分析、断裂能等理论探讨了修补结构的抗裂性。研究结果表明:试验设计的三种修补材料基本性能均满足规范要求、V型修补结构的粘结剂最佳洒布量为0.6kg/m2、通过全场应变分析与抗裂性分析得知修补材料的弯拉强度为传统沥青灌封修补的3.36倍、修补材料的断裂能达到未开裂路面的60.1%。试验验证了开V型槽修补道路反射裂缝的可行性,为道路修补反射裂缝提供了新方法。     

疲劳裂纹的搅拌摩擦焊维修效果分析

飞机结构疲劳裂纹严重影响了飞机的安全性,为评估搅拌摩擦焊维修疲劳裂纹的效果,设计规划了壁板结构含裂纹损伤的静力、疲劳维修试验件以及相应的对比试验件,进行了标准的静力、疲劳以及裂纹扩展试验,并对试验结果进行概率分析,给出了搅拌摩擦焊维修后的静力承载性能恢复程度以及不同存活率下的裂纹扩展速率公式。结果表明,搅拌摩擦焊维修后力学性能优良,可以有效地延长结构的使用寿命,为工程应用提供技术参考。     

光滑试样疲劳短裂纹的形成与扩展

对两种晶粒尺寸的中碳钢光滑试样进行了旋转弯曲疲劳试验；应用复型技术监测了短裂纹形成与扩展过程，研究了晶粒尺寸对短裂纹行为的影响。结果表明：裂纹形成几乎贯穿于整个疲劳过程；裂纹形成寿命小于失效寿命的１０％；表面长度小于２ｍｍ的短裂纹扩展寿命占整个疲劳寿命的８５％以上；晶粒尺寸和微观结构对短裂纹形成和扩展都有很大影响。     

钢箱梁疲劳裂纹气动冲击法维修效果评估

以实桥疲劳裂纹为研究对象,从应力和应力强度因子角度评估气动冲击维修方法的现场实施效果.对维修前后疲劳裂纹尖端附近的应力分别进行24 h数据采集,并采用雨流计数法,探讨裂纹尖端应力幅的变化规律.结合应力强度因子测试理论,对比研究裂纹尖端应力强度因子幅的变化规律.研究结果表明:本测点疲劳裂纹为典型的Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹,维修后疲劳裂纹尖端张拉和剪切应力幅均得到有效降低,改善了裂纹尖端受力条件.高应力强度因子幅的循环次数显著降低,表明气动冲击维修技术对于制约复合型裂纹扩展具有良好效果.     

力学性能非对称焊接接头疲劳裂纹扩展规律

研究了硬对软（ＣＳ）、软对硬（ＣＨ）和软硬中（ＳＨＭ）三种典型的力学性能非对称焊接接头疲劳裂纹扩展规律．结果表明：力学性能非对称性对焊接接头的疲劳裂纹扩展规律有很大影响．起始裂纹在软区的硬对软力学性能非对称焊接接头，起始裂纹越靠近硬区，疲劳裂纹扩展速率越快；起始裂纹在硬区的软对硬力学性能非对称焊接接头，起始裂纹越靠近软区，疲劳裂纹扩展速率越慢；起始裂纹在硬区的软硬中力学性能非对称焊接接头，硬夹层宽度越窄，疲劳裂纹扩展速率越慢．