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。     

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.     

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。     

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.     

LT1350涂层线涂布钢辊疲劳断裂失效机理分析

涂布钢辊在工作中同时承受弯矩、扭矩的作用。钢辊的辊轴零件在较小的交变载荷作用下,过早发生了疲劳断裂失效,其断裂类型为脆性断裂。疲劳断裂的发生是多个因素联合作用的结果,主要因素有：交变循环应力;轴径变化引起轴根部的应力集中;因熔化焊接工艺引起的钢辊焊接头区域微观组织改变;焊缝区的焊接缺陷;焊后表面质量,等。这些因素导致焊缝区及零件表面的缺陷成为疲劳微裂纹萌生的起源,而焊接残余应力的存在使平均应力增大,使焊缝缺陷加快扩展到相邻的轴体内部,导致辊轴过早发生疲劳断裂失效。     

LT1350涂层线涂布钢辊疲劳断裂失效机理分析

涂布钢辊在工作中同时承受弯矩、扭矩的作用。钢辊的辊轴零件在较小的交变载荷作用下,过早发生了疲劳断裂失效,其断裂类型为脆性断裂。疲劳断裂的发生是多个因素联合作用的结果,主要因素有：交变循环应力;轴径变化引起轴根部的应力集中;因熔化焊接工艺引起的钢辊焊接头区域微观组织改变;焊缝区的焊接缺陷;焊后表面质量,等。这些因素导致焊缝区及零件表面的缺陷成为疲劳微裂纹萌生的起源,而焊接残余应力的存在使平均应力增大,使焊缝缺陷加快扩展到相邻的轴体内部,导致辊轴过早发生疲劳断裂失效。     

往复荷载下钢管与螺栓球组配试件超低周疲劳断裂试验研究

为探索螺栓球网格结构强震下的破坏特征,对五个螺栓球节点管球组配试件进行了轴向往复荷载作用下的超低周疲劳断裂试验研究。通过电镜扫描观察试件超低周疲劳破坏的裂纹萌生、扩展、断裂、断口形态,并分析了裂纹萌生原因、断裂机理。结果表明:当承受拉-压循环荷载时,试件均经历失稳弯曲、在杆件中点附近局部凹陷、在凹陷处表面萌生裂纹、进一步开裂、最后发生低周疲劳断裂的过程;其断口形状为椭圆,有明显塑性变形,为韧性断裂,疲劳寿命均很短。当试件承受较大压幅值的循环荷载时,试件首先失稳弯曲,然后在杆件中点附近局部凹陷,继而在凹陷处表面萌生裂纹,但同时因节点中高强螺栓承受弯剪作用,在螺栓牙底应力集中位置,也多处同时萌生裂纹并迅速发展,最后导致高强螺栓先于杆件局部凹陷处发生疲劳断裂;其断口表面光滑平整,没有明显塑性变形,疲劳寿命只有18次。     

海洋结构裂纹检测与维修优化

首先讨论了海洋结构含裂纹构件的失效准则及修复构件疲劳性能的评价模型。应用概率断裂力学方法提出了一个描述海洋结构检测与维修过程的可靠性模型 ,该模型同时考虑了疲劳和断裂两种失效形式 ,并可以评价检测、维修过程对平台可靠性的影响。基于该模型 ,开发了一个描述裂纹萌生与扩展过程的可靠性数值仿真器 ,用于对服役平台的检测和维修进行优化。用该数值仿真器对一个实例进行计算的结果表明 ,对裂纹进行检测优化时 ,不计断裂失效是不合理的。     

应力集中对2024铝合金高周疲劳寿命的影响

研究了2024铝合金常温下的高周疲劳性能,获得了2024铝合金在不同应力状态下的S-N曲线.分析了疲劳试样的断口形貌和裂纹萌生/扩展机理,以及疲劳试样的组织结构与疲劳性能之间的关系.结果表明,疲劳极限随着应力集中系数的增加而降低,当应力集中系数相同时,疲劳极限随着应力比的减小而降低;2024铝合金的疲劳断口以穿晶断裂为主;第二相颗粒起到了阻碍疲劳裂纹扩展的作用,使2024铝合金的高周疲劳强度得到了明显提高.     

海洋结构裂纹检测与维修优化

首先讨论了海洋结构含裂纹构件的失效准则及修复构件疲劳性能的评价模型。应用概率断裂力学方法提出了一个描述海洋结构检测与维修过程的可靠性模型,该模型同时考虑了疲劳和断裂两种失效形式,并可以评价检测,维修过程对平台可靠性的影响。基于该模型,开发了一个描述裂纹萌生与扩展过程的可靠性数值仿真器,用于对服役平台的检测和维修进行优化。用该数值仿真器对一个实例进行计算的结果表明,对裂纹进行检测优化时,不计断裂失效是不合理的。     

高温环境2A12–T4铝合金多轴疲劳失效规律研究

许多工程结构在服役过程中往往承受着复杂的多轴疲劳载荷和热力耦合作用,仅靠常温情况下的单周载荷来简化复杂多轴载荷状态的失效预测方法将不再适用。为研究2A12–T4铝合金的高温多轴疲劳失效规律,本实验在175℃环境温度下,选取等效Von-Mise应力幅值,通过间断式加载记录不同拉扭加载循环下的裂纹萌生与扩展情况,研究特定加载路径对裂纹萌生与扩展的影响。实验结果表明,相位差为0时,裂纹萌生方向沿MSSA平面;在相位差为45°时,裂纹萌生传播方向与最大切应力平面方向相近,最大切应力在裂纹萌生过程中起到主要作用;在λ=0.5、φ=0和λ=1.0、φ=0两种情况下,裂纹萌生初期沿着最大切应力平面方向传播,传播过程中存在第I阶段向第II阶段转变的过程;在λ=0.5、φ=45°和λ=1.0、φ=45°两种情况下,不存在明显的第I阶段向第II阶段转变的过程;对比4种加载方式下的疲劳裂纹萌生期与疲劳寿命比,发现切应力比重的增大加速裂纹的萌生过程,相位差的存在阻碍了裂纹的萌生过程。     

Q345B钢框架梁柱节点焊缝低周疲劳试验

为了研究不同加载制度下的钢框架梁柱节点焊缝低周疲劳性能,设计并完成了六个足尺全焊接梁柱节点焊缝低周疲劳试验,研究了节点焊缝的疲劳裂纹萌生及扩展规律,分析了循环幅值、加载历程对节点疲劳性能的影响,比较了在常幅、变幅及随机荷载作用过程中的疲劳损伤累积程度。结果表明:在三种加载制度下,梁翼缘焊接孔处焊趾最易萌生疲劳裂纹,最终断裂的路径均为焊接孔焊趾裂纹斜向发展,与翼缘焊缝端部裂纹汇合,造成全截面断裂;试件直接经历等幅大变形对节点的疲劳性能较为不利,经历由小变形到大变形的加载过程更能发挥耗能能力;常幅加载的幅值越大,节点累积损伤的速率越快,越早发生疲劳断裂.     

焊接结构疲劳损伤的实时监测

采用声发射技术监测了焊接梁疲劳试验的过程，准确地监测到了焊缝和应力集中部位处的裂纹萌生及扩展．根据累积声发射振铃计数与时间的关系曲线定义了焊接梁损伤的三个阶段，并在此基础上提出了描述材料疲劳累积损伤的模型．     

超载对应力集中区裂纹疲劳扩展的影响

用具有对称裂纹的中心圆孔宽板试件,研究了超载对结构应力集中产生的塑性变形区中的裂纹疲劳扩展速率的影响。发现在塑性区中裂纹超载迟滞效应和在弹性区中裂纹的超载迟滞效应相似。在裂纹萌生前施加超载于结构元件,对以后应变集中区裂纹的萌生及疲劳扩展均有显著的迟滞作用。因此预超载技术可以用于延长有应力集中结构元件的疲劳寿命,例如带接管的焊接压力容器。     

应力幅比对2A12-T4铝合金多轴疲劳裂纹萌生及扩展行为的影响

许多工程结构在服役过程中往往承受着复杂的多轴疲劳载荷,仅靠单轴载荷来简化复杂载荷状态的失效预测方法将不再适用。因此,准确预测复杂载荷下工程结构的多轴疲劳失效行为对提高结构安全性具有重要意义。疲劳裂纹萌生及扩展是疲劳失效行为最直观的反应,针对2A12-T4铝合金实心圆棒试件,在相同的等效von Mises应力幅值下,开展了不同应力幅比下的多轴疲劳试验。采用金相显微镜对试件表面裂纹萌生及扩展行为进行了观测,研究了不同应力幅比下试件表面裂纹形态及扩展路径,探讨了不同应力幅比下2A12-T4铝合金多轴疲劳失效行为。结果表明,对于2A12-T4铝合金,试件表面均存在多条裂纹,导致疲劳破坏的主裂纹只有1条;裂纹萌生方向接近于最大切应力幅值平面,裂纹扩展第Ⅰ阶段的长度与方向同时受到应力幅比的影响;主裂纹扩展路径主要沿着最大切应力幅值平面,最大切应力幅值是引起2A12-T4铝合金多轴疲劳失效的主要控制参量。     

凝汽器钛管断裂性质分析

某电厂凝汽器钛管发生断裂,使用光学显微镜、扫描电子显微镜电镜等手段对断口形貌和微观组织进行观察。经对断裂钛管的检验分析,钛管断口微观上可见明显的疲劳辉纹,表明钛管的断裂性质为疲劳断裂。在断口处的外表面存在较为严重的碰磨痕迹,而钛管本身壁厚较薄,在碰磨处易产生应力集中,导致裂纹萌生。凝汽器运行过程中,在变工况蒸汽冲击振动作用下,裂纹发生疲劳扩展,最终导致断裂失效。     

多阶模态下无触点电子喇叭膜片的断裂失效机理

由于膜片在工作过程中经历高频率的振动,因而疲劳断裂是其主要失效形式.为提高膜片的疲劳寿命,文中通过有限元方法对汽车无触点电子喇叭膜片进行了数值模态分析,并通过实验方法深入研究了膜片断裂失效的机理.结果表明:汽车喇叭膜片在各阶模态下的等效应力最大值均发生在膜片上底面的外缘附近,因此该区域将是膜片最容易疲劳屈服而发生疲劳断裂的区域.由于各膜片间存在一定的尺寸误差和装配误差,使得各膜片的固有频率存在较大的差异,因此,在相同的激励频率下表现为不同的振动特性.喇叭膜片疲劳断裂时的裂纹在等效应力最大值附近萌生,因此为增大喇叭膜片的疲劳寿命,在膜片设计时应设法减小膜片上底面外缘处的应力集中.     

钛铝异质自冲铆接头疲劳性能及失效机理

对纯钛(TA1)和铝锂合金(AL1420)异质单搭自冲铆接头进行静力学实验和疲劳实验研究,通过三参数经验公式采用S-N曲线拟合法绘制接头的S-N曲线,分析接头的疲劳性能;采用扫描电子显微镜对接头疲劳断口进行观测,研究接头的微观疲劳失效机理.结果表明:接头的静力学性能与疲劳性能不具有一致性,TA1-AL1420(TA)接头静力学性能更优,但其疲劳性能比AL1420-TA1 (AT)接头差;TA接头疲劳失效形式为下板断裂,疲劳裂纹萌生于靠近铆钉脚处的板材区域,随后沿着板宽方向扩展,最终导致下板完全断裂.AT接头在短寿命区因铆钉断裂失效,铆钉的断口属于脆性疲劳断裂;在中长寿命区出现铆钉断裂和下板断裂的混合失效形式,疲劳裂纹从下板一端萌生,沿着板宽向另一端方向扩展,导致下板断裂失效.     

桥梁焊接构件疲劳损伤测试与分析

对桥梁结构中典型的焊接构件的缩尺试样进行实验研究,探讨了焊接构件在高频动载下的高周疲劳损伤破坏过程及其特征．通过动态捕捉焊接试样在焊趾附近的应变变化情况,直观描述了疲劳损伤演化过程中的3个典型阶段;通过研究疲劳实验过程中试件固有频率的变化情况,定量给出了试样的疲劳损伤演化曲线,为研究结构的疲劳损伤情况提供了一种新的方法．结果表明：在焊接试样的总疲劳寿命中,对应于疲劳裂纹萌生期和扩展期的寿命占主要部分,达到总疲劳寿命的90％左右,而产生宏观可见的疲劳裂纹到试件断裂的寿命周期很短,只占到总疲劳寿命的10％左右．疲劳裂纹源和裂纹扩展区部分的图像呈放射状的人字形条纹,人字纹指向裂源,其反向为裂纹的扩展方向．     

基于红外成像技术的铝锂合金2198疲劳裂纹监测机制研究

红外成像技术提供了一种快速、非接触、全区域的表面温度监测手段。在超声疲劳试验中,大多数金属材料均具有明显的温度效应。将采用这种技术手段系统地对铝锂合金2198-T8材料在疲劳试验过程中的升温情况开展研究。结果表明,材料从试验开始到疲劳断裂现象的发生,试件表面温度通常要经历三个阶段:快速升温阶段、缓慢升温阶段和急剧升温阶段。快速升温阶段通常与施加应力的大小有关;施加应力和疲劳微裂纹萌生是缓慢升温阶段的主要影响因素;宏观裂纹的扩展以及裂纹面之间的碰撞和摩擦则可导致材料表面的急剧升温。验证了红外成像技术在探索疲劳失效规律问题上作为一种可靠技术手段的正确性。