高温合金材料热机械疲劳实验技术

本文以ＡＩＳＩ３１６Ｌ不锈钢材料为例介绍了高温低周应变控制热机械疲劳（ＴｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＦａｔｉｇｕｅ）试验，温度循环和机械应变循环为相同频率，它们间的相位关系分为同相位和反相位两种．温度循环范围选为２５０～５００℃和２５０～６５０℃两种．通过计算机自动控制的实验系统所得到的试验数据，探讨了热机械疲劳应力－应变响应，裂纹萌发和扩展的性质，材料微观损伤分析和温度范围变化对疲劳性能和寿命的影响．对疲劳试验过程中循环回滞曲线的分析，给出了材料硬化阶段和循环稳定阶段的特性．     

高温合金材料循环相关和时间相关热机械疲劳循环性能模拟

从平衡热力学不可逆系统出发，用非线性粘弹塑性运动强化莱模拟高温合金材料的应变控制热机械疲劳循环特性。讨论了温度变化和应变循环的相位关系，循环相关和时间相关热机械疲劳损伤机制，蠕变和疲劳间的相互作用。在建立本构关系和状态方程时，均考虑了温度变化所产生的影响。     

一种考虑非比例附加损伤的多轴低周疲劳模型

在实际工作环境中,机械结构往往承受着多轴非比例循环载荷.相比多轴比例循环加载,多轴非比例循环加载由于产生了附加强化现象,造成机械结构疲劳寿命下降.通过分析薄壁圆筒管件在非比例加载工况下应力应变变化规律和发生破坏位置,本文基于临界面法提出一种考虑多轴非比例附加损伤的疲劳模型.该模型将最大剪切应变幅平面作为临界面,提出一个新的附加强化因子,结合临界面上切应变幅和正应变幅组成新的多轴疲劳损伤参量.此参量不仅考虑了非比例加载下临界面上正应变幅和切应变幅对材料造成的疲劳损伤,还考虑到应变路径的变化和材料非比例加载敏感特性对材料疲劳寿命的影响.考虑到实际情况下模型所需材料附加强化系数有时难以获得的情况,给出了材料附加强化系数的有关近似计算公式.只需要材料基本力学参数便可得到材料附加强化系数,方便工程实际应用.采用8种材料的多轴疲劳寿命数据对提出的新模型进行检验,结果表明所提出的新模型与传统多轴疲劳模型相比预测寿命精度更高.      

应变控制的热机械疲劳行为的数值模拟

根据高温合金材料的力学性能，以弹粘塑性本构模型为基础，用数值模拟方法研究材料的热机械疲劳循环特性，模型将应变分为弹性应变、温度应变和粘塑性应变三部分，认为材料在高温循环载荷下呈现明显的弹粘塑性特征，根据虚位移原理建立轴对称体的弹粘塑性计算有限元格式，对于循环机械载荷和循环温度载荷，程序中采用了增量法迭代求解，在非线性项中不仅考虑了机械载荷增量的影响，同时也考虑了温度增量的影响，根据应变控制热机械疲劳的特点，发展了应变增量法的有限元计算方法、通过数值模拟，得到材料在各种循环载荷下的应力—应变响应，数值模拟较好地反映了粘塑性变形过程以及温度变化的效应，所描述的不可逆系统在某一时刻的状态完全由当时的状态参数、内变量、承载时间及塑性应变累积量决定，对带缺口试件的模拟结果显示了程序对复杂轴对称结构进行热机械疲劳计算的有效性。     

一种考虑拉伸保持效应的多轴疲劳寿命模型

通过定义考虑拉伸保载效应的CFI因子(creep-fatigue interaction factor)，将拉伸蠕变损伤和疲劳损伤进行非线性耦合. 根据断裂实验的观察，针对拉伸主 导的裂纹萌生、扩展及破坏的多轴疲劳问题，给出了一个基于临界面方法的能量型高温多轴 疲劳寿命预测模型. 所给出的模型可对不同温度、不同载荷特点、不同保载时间的多轴疲劳 寿命进行预测，模型的材料参数不依赖于温度和载荷. 并且此方法可以很方便地推广到其它 因素主导破坏的高温多轴疲劳寿命预测. 通过拟合高温合金Udimet720Li单轴带保持时间的 低循环疲劳(low cycle fatigue, LCF)寿命试验数据，得到了材料常数. 结合黏 塑性有限元分析方法，对高温双轴带保载循环载荷下Cruciform试件的寿命进行了 预测，预测结果基本落在2倍分散带内，达到工程的要求，证明了该模型的有效性.     

复杂应力状态镍基单晶合金低周疲劳损伤模型

根据连续介质损伤力学理论,采用应变能释放率作为热力学广义力描述正交异性材料的疲劳损伤过程,引入取向函数考虑镍基单晶合金晶体取向对疲劳损伤的非线性影响,提出了一个各向异性疲劳损伤模型。应用多元线性回归分析方法,拟合疲劳试验数据可确定模型参数。从应变能释放率的应变空间表达式出发,导出了含有3个弹性常数的单晶合金应变三轴性因子,它既反映了材料性能的晶体取向相关性,又反映了正应力和剪应力的相互作用,并可退化为各向同性材料的应变三轴性因子。利用该模型对CMSX-2镍基单晶合金在应力控制对称循环拉-扭载荷作用下的低周疲劳寿命进行预测,预测值与试验值吻合的相当好,试验所得数据均落在2.2倍偏差的分布带内。     

一种FRP累积损伤模型及其在结构疲劳寿命估算中的应用

推荐了一种应变损伤累积模型，能够考虑单向板面内多轴应力和平均应力的影响。只需要单向板在确定应力比下的若干典型疲劳试验结果，就可以预测相同材料体系多向层压结构在不同应力比的循环载荷下的疲劳寿命，有助于降低试验成本和工作量。研究了适用于多向层压结构剩余强度估算和疲劳寿命预测的步骤和程序。针对碳纤维／树脂基T300／QY8911复合材料，试验测定了三组典型单轴循环应力（[0]16拉－拉、[90]16拉－拉和[0/90]4S剪－剪）下的S－N曲线。以此为输入，预测四种多向铺层板在各种拉－拉循环应力下的疲劳寿命，寿命预测结果和相应的试验结果吻合良好。采用了保持计算和试验的载荷／强度比相对等值的方法来近似抵消层合效应对疲劳寿命的影响。强调了进一步发展能够定量估计层间应力影响与分层扩展过程的疲劳损伤模型的重要性。     

镍基单晶合金非对称循环载荷低周疲劳实验研究与寿命预测

对三种不同晶体取向的DD3单晶合金试样在680℃温度下进行非对称循低周疲劳试验,表明晶体取向对疲劳寿命有显著影响.用取向函数修正总应变范围可在很大程度上消除晶体取向对疲劳寿命的影响,引入参量k表示非对称循环载荷对疲劳寿命的影响,它与循环寿命之间呈幂函数关系.根据影响单晶合金低周疲劳寿命的主要因素,提出由总应变范围、取向函数和参量k构成循环塑性应变能的计算方法。用塑性应变能作为损伤参量导出单晶合金低周疲劳寿命预测模型,利用DD3单晶合金低周疲劳试验数据进行验证,光滑试样和缺口试样试验数据分别落在2.6倍和2倍的偏差分布带内.     

温度循环应力剖面对QFP焊点热疲劳寿命的影响

采用统一型粘塑性Anand本构方程描述了QFP(四方扁平封装)焊点的粘塑性力学行为,利用有限元分析软件建立组装在印制电路板上QFP的有限元模型,通过研究焊点内部总应变范围的变化进而研究温度循环应力剖面各个参数对焊点热疲劳寿命的影响,为设计合理的温度循环应力剖面提供了理论依据。     

一种考虑非比例附加损伤的多轴低周疲劳模型

在实际工作环境中,机械结构往往承受着多轴非比例循环载荷.相比多轴比例循环加载,多轴非比例循环加载由于产生了附加强化现象,造成机械结构疲劳寿命下降.通过分析薄壁圆筒管件在非比例加载工况下应力应变变化规律和发生破坏位置,本文基于临界面法提出一种考虑多轴非比例附加损伤的疲劳模型.该模型将最大剪切应变幅平面作为临界面,提出一个新的附加强化因子,结合临界面上切应变幅和正应变幅组成新的多轴疲劳损伤参量.此参量不仅考虑了非比例加载下临界面上正应变幅和切应变幅对材料造成的疲劳损伤,还考虑到应变路径的变化和材料非比例加载敏感特性对材料疲劳寿命的影响.考虑到实际情况下模型所需材料附加强化系数有时难以获得的情况,给出了材料附加强化系数的有关近似计算公式.只需要材料基本力学参数便可得到材料附加强化系数,方便工程实际应用.采用8种材料的多轴疲劳寿命数据对提出的新模型进行检验,结果表明所提出的新模型与传统多轴疲劳模型相比预测寿命精度更高.     

Cyclic plastic deformation and cyclic hardening/softening behavior in 304LN stainless steel

Low cycle fatigue experiments have been conducted on 304LN stainless steel in ambient air at room temperature. Uniaxial ratcheting behavior has also been studied on this material and in both engineering and true stress controlling modes. It is shown that material’s cyclic hardening/softening behavior in low cycle fatigue and in ratcheting is dependent not only on material but also on the loading condition. Improvement of ratcheting life and mean stress dependent hardening are observed in the presence of mean stress. A method based on the strain energy density (SED) is used to represent cyclic hardening/softening behavior of the material in this work. The decrease of SED with cycles is an indication that the life in low cycle fatigue and in ratcheting is improved. The SED represents the area of the hysteresis loops.     

Lifetime simulation of thermo-mechanically loaded components

The estimation of the lifetime of thermo-mechanically loaded components by testing is very costly and time-consuming, since the high temperature cycle time in practical application dominates the test duration. Common frequencies for TMF (thermo-mechanical fatigue) tests are at about 0.01 Hz compared to 10–100 Hz at HCF (high cycle fatigue) and about 0.1–1 Hz at isothermal LCF (low cycle fatigue) tests. Therefore, the simulation of fatigue life is an important design step in the fast moving and competitive automotive industry, where the steady rise of engine power and the demand for lightweight construction concurrent with enhanced reliability require an optimised dimensioning process. Methods and models are usually derived from results made on tests with specimens, since it is possible to systematically and exactly define loading parameters and measurement categories. After an extensive test programme (tensile tests, creep tests, low cycle fatigue tests and thermo-mechanical fatigue tests with different influences on specimens) it was possible to develop material models for the simulation of the time- and temperature dependent stress–strain hystereses and damage models for the simulation of the TMF lifetime. Based on this knowledge the whole simulation chain to determine the TMF life of a component is introduced: thermal calculation, mechanical calculation and lifetime calculation. Furthermore the transferability of specimen based simulation models to real components (an alternative test piece and a cylinder head) is investigated.     

TC4钛合金超高周次轴向振动疲劳试验

应用基于压电超声疲劳试验技术开发的20kHz轴向振动疲劳试验系统,完成了室温下TC4钛合金超高周疲劳试验,获得了TC4合金在107～109周次范围内的轴向振动疲劳寿命曲线(S-N曲线);运用C.Paris推导公式预测了TC4合金材料的寿命,得到各应力水平下破坏率为50％、95％、99％的安全寿命.结果表明:在疲劳循环大于107周次时,试件仍会发生疲劳断裂,疲劳强度随循环次数的增加而下降,并不存在明显的疲劳极限.TC4合金的S-N曲线在107～109周次的范围内呈连续下降型.在轴向振动超高周疲劳试验中,试件的裂纹扩展寿命只占其在50％破坏率下疲劳安全寿命的一小部分,其疲劳寿命主要由试件的裂纹萌生寿命决定.     

比例超载对铝合金圆孔薄板试件低周拉-拉疲劳寿命的影响

对铝合金圆孔薄板试件进行了超载和常辐的对比实验,取六种超载比,对每一超载比各进行了不同超载周次的实验,从这些实验结果看出,对每一超载比,超载试件的疲劳寿命和常辐疲劳试件的寿命比值先是随超载周数的增加而较快的增加,之后在一个相当大的超载周数范围内,超载寿命比的变化不大。当超载周数超过一定值时,超载寿命比随超载周数的增加而略有减少。本文的实验中,在超载60％的情况下,超载周数从20周到90周的范围内,超载试件的平均寿命比常辐疲劳试件的寿命约高3.5倍。     

纤维加强金属基复合材料热机械疲劳模型的研究进展

纤维增强金属基复合材料的热机械疲劳(thermomechanical fatigue 简称TMF)特性的研究在近年受到高度重视.本文根据国内外近期进行的理论研究以及获得的主要成果作一概要介绍.对于热机械循环特性,主要介绍基于细观力学方法的轴向性质模型,以及基于断裂与损伤理论的横向性质模型.对于热机械疲劳性能研究,结合横向性质导出两种热机械疲劳模型,然后分析基体的细观结构对疲劳寿命的影响.      

SAPH440汽车薄板高低周疲劳特性试验研究

本文通过设计防屈曲装置,对2.3mm厚度汽车薄板SAPH440在室温下进行了单轴拉伸、低周疲劳和高周疲劳等一系列试验．给出该材料静态力学参数,低周疲劳曲线（E-N曲线）、高周疲劳曲线（S-N曲线）以及相关疲劳性能参数．分别得到了在应力比R=0.1和R= -1状态下的疲劳寿命公式．通过考察低周循环应力-应变曲线,发现材料在试验控制的循环应变幅范围内发生了循环软化,具有明显Masing特性．此外,通过对疲劳断口形貌分析,初步给出了疲劳裂纹的扩展机理．     

Fatigue of the Near-Alpha Ti-Alloy Ti6242

Ti6242 is the workhorse of high-temperature Ti-alloys in the high pressure compressor of aero engines. In this study the influence on isothermal fatigue of different load controls, i.e. stress, total strain and plastic strain control at different temperatures and environments was investigated. The alloy had a bi-modal microstructure (some 30 vol.% primary alpha), which yields a good balance between fatigue and creep properties. In addition thermomechanical fatigue (TMF) tests were also performed. Modelling lifetime on the basis of a Basquin–Coffin–Manson relationship revealed only marginal scattering in the temperature range between 350°C and 650°C. Increasing the temperature led to a decrease in lifetime. This can be attributed to increased oxidation and creep. The latter one is clearly seen in isothermal tests under stress control. Tests in vacuum resulted in longer lifetimes. In-phase TMF tests exhibited a longer lifetime than out-of-phase tests, with a factor of about 4. Lifetime and stress response of in-phase tests are similar to the corresponding lifetime of an isothermal test at the maximum temperature. This similarity can be considered as a starting point for modelling TMF behaviour on the basis of isothermal fatigue.     

Q345低周疲劳性能与疲劳寿命预测分析

本文对结构用钢Q345的低周疲劳性能进行了试验研究。试验在常温下岛津电液伺服疲劳试验机上进行,采用轴向应变控制方法,恒定应变速率为0.005s-1,应变比为-1。试验结果表明,初始阶段,Q345在高应变幅值(0.6%)循环作用下出现循环硬化效应,而在低应变幅值(0.6%)作用下出现循环软化效应;随着加载应变幅的增加,硬化和软化率呈直线上升趋势。Q345疲劳裂纹萌生阶段占其整个寿命的60%以上,其裂纹萌生寿命与应变幅存在幂函数关系。根据Coffin-Manson公式得到了Q345的应变-寿命关系公式;采用能量预测法得到了材料的塑性应变能与疲劳寿命的关系表达式。上述结果对钢结构的设计、评估具有重要的工程应用参考价值。