服役环境下腐蚀坑等效为表面裂纹的有效性分析

对取自退役飞机机翼蒙皮的光滑试件进行了等幅疲劳试验,通过疲劳断口分析得到了服役环境下飞机主体材料LY12CZ 铝合金蚀坑的拓扑特征.基于飞机结构的实际腐蚀尺寸,将蚀坑的宽度和深度作为等效裂纹的长轴和短轴,并应用 Stress Check 软件对蚀坑等效为裂纹的可行性进行了有限元分析.结果表明:实际蚀坑与等效裂纹对结构应力分布的影响十分相似;应力强度因子在蚀坑等效前后数值大小和变化趋势不大.在分析蚀坑对典型试件疲劳寿命影响时将蚀坑等效成半椭圆形裂纹,选取 Walker 公式作为扩展速率模型,并与试验值进行了对比.结果表明:预测值与试验值比较吻合,最大误差为9.23%,满足工程需求.     

大气预腐蚀下ER8C车轮钢的疲劳寿命评估

随着高速列车车轮服役里程的增加，车轮辐板持续遭受潮湿大气甚至海洋大气环境的考验，点蚀成为车轮失效的主要原因之一.论文首先在大气自然环境下对ER8C车轮钢高周疲劳试样开展为期180天的曝晒(预腐蚀)试验，随后进行表面形貌和疲劳性能表征.结果表明，预腐蚀后车轮钢的疲劳极限为387 MPa,相比光滑试样下降12%;这主要是由于预腐蚀造成的腐蚀坑使试样表面局部应力集中，加速了疲劳裂纹萌生.采用激光共聚焦显微镜统计预腐蚀试样表面蚀坑尺寸，使用由均值蚀坑尺寸计算得到等效初始缺陷尺寸(EIFS),对预腐蚀车轮钢试样的疲劳寿命进行预测，避免腐蚀疲劳裂纹萌生以及短裂纹扩展对疲劳寿命预测的影响；预测结果与实验结果较为符合，证明了该方法的可行性.论文的主要结论是，通过统计试样表面蚀坑尺寸的均值来获得EIFS的方法，可以计算得到大气预腐蚀后车轮钢的剩余寿命，这验证了EIFS方法在大气预腐蚀下材料疲劳寿命研究中的适用性.     

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在空气和腐蚀介质中对低合金钢分别的进行疲劳试验,获得了S-N曲线,并对疲劳试样表面和断口形貌进行了观察。结果表明：与空气相比,腐蚀介质使低合金钢的疲劳强度显著降低;空气中疲劳试样只有一个萌生于试样表面基体的裂纹源,而腐蚀介质中的疲劳试样一般有多个裂纹源,多数裂纹源均萌生于点蚀坑;空气中疲劳裂纹扩展区以疲劳辉纹为主,而腐蚀疲劳则以沿晶开裂等脆性特征为主;此外还对空气中的疲劳极限进行了预测,预测值与试验值比较吻合     

基于多轴疲劳准则的齿轮点蚀寿命预测

综合齿轮动力学和弹性流体动力润滑理论,建立基于临界平面法多轴疲劳寿命预测模型.首先根据齿轮啮合特性获取齿面接触的时变参数,采用平均滤波方法模拟齿面磨合后的粗糙状态,并将齿面粗糙形貌带入油膜厚度计算,并基于量纲化差分方法建立齿轮的热弹流动力润滑模型;随后,通过润滑界面压力和摩擦力的分布计算近表面应力状态,确定接触近表面任意平面的应力与应变幅;最终,采用临界平面方法计算Smith-Watson-Topper(SWT)参数和最易萌生裂纹的平面,最终确定齿轮疲劳点蚀寿命,并试验验证模型有效性.结果表明：粗糙表面造成压力、油膜厚度和温度等波动较大,最大应力集中分布在表面,疲劳点蚀的微裂纹首先在表面萌生;齿轮疲劳点蚀数值模型可有效预测不同润滑条件下的疲劳点蚀寿命.     

缺口件多轴疲劳寿命预估新方法

局部应力应变法(LSSM)以危险点处的局部应力应变历程进行寿命评价,忽略了非比例附加强化及缺口附近应力梯度对疲劳损伤的影响.论文通过分析裂纹萌生面(临界面)上剪应力和正应力分布状态,提出一种计算缺口件多轴疲劳损伤影响区的数学计算方法,建立考虑法向正/剪应力梯度与非比例附加强化效应的寿命预估模型.首先,基于能量法和临界面理论,借助坐标变换原理将应变能密度最大的材料平面定义为临界面,建立确定裂纹萌生方向的计算方法.其次,以临界面上特定路径为积分方向,将缺口件三维问题转化为线性问题,简化计算过程.综合考虑峰值应力和等效应力场强对多轴疲劳寿命的贡献度,建立表征缺口件多轴疲劳损伤演化过程的损伤参量.最后,通过TC4合金和Q345钢多轴疲劳试验验证论文模型的可行性和精确度,并与LSSM法、FS模型、SWT模型进行对比分析.     

低合金钢在不同条件下的疲劳行为

在空气和腐蚀介质中对低合金钢分别进行疲劳试验,获得了S-N曲线,并对疲劳试样表面和断口形貌进行了观察.结果表明:与空气相比,腐蚀介质使低合金钢的疲劳强度显著降低;在空气中疲劳试样只有一个萌生于试样表面基体的裂纹源,而腐蚀介质中一般有多个裂纹源,多数裂纹源均萌生于点蚀坑;空气中疲劳裂纹扩展区以疲劳辉纹为主,而腐蚀疲劳则以沿晶开裂等脆性特征为主;此外还对空气中的疲劳极限进行了预测,预测值与试验值比较吻合.     

复合材料修补结构腐蚀扩展特性实验研究

为了研究腐蚀环境对复合材料修补结构疲劳特性的影响,开展以某型飞机加速环境谱为基础的预腐蚀试验,并采用递进式的试验方法分别完成对未修补未腐蚀、修补但未腐蚀、又修补又腐蚀的试样疲劳裂纹扩展试验。利用试验数据计算了复合材料修补构型、腐蚀环境对裂纹尖端应力强度因子影响的修正系数,并确定了通过试验验证的修补结构疲劳裂纹扩展修正模型。该模型预测腐蚀环境下修补结构的疲劳寿命与试验值一致。试验数据和预测模型可为海军飞机复合材料修补结构的损伤容限设计提供参考。     

微机辅助直流电位法腐蚀疲劳裂纹扩展速率测试研究

本文所给微机辅助直流电位法腐蚀疲劳裂纹扩展速率测试系统,采用峰值采样技术,消除了裂纹闭合影响。系统可同时给出 da/dN～△K 的波动曲线、光滑曲线及分段拟合后的曲线,有利于腐蚀疲劳裂纹扩展机制分析与寿命估算。系统用于GC-4钢研究表明,GC-4钢腐蚀疲劳裂纹扩展属于包含平台阶段的应力腐蚀型,符合过程竞争模型,但要对 Austen 模型进行修正。     

广义平均形状改变能密度断裂准则及应用

基于形状改变能为材料起裂扩展控制参量的物理事实及裂纹尖端断裂控制区能量平均概念,提出了计及裂纹尖端应力场特征级数展开奇异项和常数项的广义平均形状改变能密度(GADSED)准则,建立了I-II-III 混合型裂纹断裂判据计算式,为工程结构疲劳断裂评估提供了新选择．基于提出的GADSED 准则,系统分析了T应力对裂纹断裂判据的影响,结果表明：当参数|Ba|数值相同时：负值T应力的I-II 混合型裂纹更易起裂扩展,正值T应力的KΙf值高于负值T应力的KΙf值,正负T应力的KIIf值相同;T应力在区间0 < Bα < 0.45 时增大了KΙf值（3 %以内）,T应力降低了KIIf值．根据GADSED 准则完成了双轴疲劳载荷平板表面I 型裂纹扩展寿命预报,结果表明：基于GADSED 准则的裂纹扩展寿命预报值约为传统方法预报值的40.7 %,可为工程实际评估提供借鉴．     

基于非齐次复合Poisson过程的正交异性钢桥面板细节疲劳裂纹随机扩展研究

传统的正交异性钢桥面板疲劳损伤评估常采用确定性和可靠性分析方法,忽略了疲劳裂纹扩展的随机性影响,针对这一问题,提出钢桥面板细节疲劳随机扩展分析方法。本文以南溪长江大桥为工程背景,基于长期车辆荷载监测数据,建立了车辆荷载非齐次复合Poisson过程模型。建立钢桥面板有限元模型,采用瞬态分析方法将随机车辆荷载转化成细节疲劳应力,基于线弹性断裂力学理论推导U肋-顶板焊接细节疲劳裂纹扩展时变微分方程,实现宏观关系式疲劳应力幅次数-疲劳损伤至微观表达式应力时间序列-疲劳损伤转换,讨论了车载次序及超载对疲劳裂纹扩展的影响。研究结果表明,非齐次复合泊松过程模型能够较好描述随机车流运营状态,车辆荷载的次序对疲劳裂纹扩展速率的影响不可忽略,重车排序靠前时能够促使疲劳裂纹扩展增速,南溪长江大桥细节点的车辆超载迟滞效应修正系数取值0.804。     

金属结构材料腐蚀疲劳寿命预测模型的研究进展

腐蚀疲劳是工业装备的主要失效模式之一.随着新技术的不断发展,航空航天、轨道交通、海洋设施等重大装备向着高可靠性、长寿命及智能化方向发展,亟需准确、高效的腐蚀疲劳寿命预测方法.论文对金属材料的腐蚀疲劳损伤机理进行了简要总结并对寿命预测模型进行了系统归纳与评述,提出未来的研究趋势与方向.具体地,首先介绍了腐蚀坑的萌生和生长、裂纹萌生及扩展的机理;其次总结了预腐蚀疲劳的断裂力学及损伤力学寿命预测模型,再次归纳了腐蚀疲劳的断裂力学、损伤力学及数据驱动寿命预测模型;进一步地,综合概括了现有寿命预测模型的优点和不足;最后,基于当前的研究指出未来可能的发展方向,一方面可以借助三维成像技术实现蚀坑向裂纹转变阶段和短裂纹扩展阶段的可视化研究,以改进现有的断裂力学模型;另一方面可以建立新型的多尺度多阶段寿命预测模型或利用新兴的数据驱动-物理融合方法实现腐蚀疲劳寿命预测.     

航空铝合金力学与电化学耦合点蚀损伤模型研究

点蚀是航空铝合金材料在服役环境下常见的损伤形式，点蚀损伤会导致材料性能的下降, 严重地威胁着结构的承载能力。作为承力构件，航空铝合金不仅承受环境腐蚀的作用，还承受应力作用。论文根据点蚀基本原理，引入细观损伤变量孔隙率，考虑力学化学效应，建立了点蚀损伤弹性模量计算模型。使用2219铝合金，进行加速腐蚀试验和单向拉伸试验，利用显微扫描技术研究了点蚀坑深度随时间和载荷的变化，并对腐蚀后试验件的损伤宏观形貌进行观察分析。根据拉伸实验结果，对模型的正确性进行验证。模型计算与实验结果的对比证明了本文方法的可行性与正确性。     

Modelling of crack growth under cyclic contact loading

The paper describes a general computational model for modelling of subsurface fatigue crack growth under cyclic contact loading of mechanical elements. The model assumes that the initial fatigue crack develops along the slip line in a single crystal grain at the point of the maximum equivalent stress. The position and magnitude of the maximum equivalent stress are determined with the Finite Element Analysis of the equivalent contact model, which is based on the Hertzian contact conditions with the addition of frictional forces. The Virtual Crack Extension method is then used for simulation of the fatigue crack propagation from the initial to the critical crack length, when the surface material layer breaks away and a pit appears on the surface. The pit shapes and relationships between the stress intensity factor and the crack length are determined for various combinations of contacting surface curvatures and contact loadings. The computational results show that the model reliably simulates the subsurface fatigue crack growth under contact loading and can be used for computational predictions of surface pitting for various contacting mechanical elements.     

Intergranular strain evolution near fatigue crack tips in polycrystalline metals

The deformation field near a steady fatigue crack includes a plastic zone in front of the crack tip and a plastic wake behind it, and the magnitude, distribution, and history of the residual strain along the crack path depend on the stress multiaxiality, material properties, and history of stress intensity factor and crack growth rate. An in situ, full-field, non-destructive measurement of lattice strain (which relies on the intergranular interactions of the inhomogeneous deformation fields in neighboring grains) by neutron diffraction techniques has been performed for the fatigue test of a Ni-based superalloy compact tension specimen. These microscopic grain level measurements provided unprecedented information on the fatigue growth mechanisms. A two-scale model is developed to predict the lattice strain evolution near fatigue crack tips in polycrystalline materials. An irreversible, hysteretic cohesive interface model is adopted to simulate a steady fatigue crack, which allows us to generate the stress/strain distribution and history near the fatigue crack tip. The continuum deformation history is used as inputs for the micromechanical analysis of lattice strain evolution using the slip-based crystal plasticity model, thus making a mechanistic connection between macro- and micro-strains. Predictions from perfect grain-boundary simulations exhibit the same lattice strain distributions as in neutron diffraction measurements, except for discrepancies near the crack tip within about one-tenth of the plastic zone size. By considering the intergranular damage, which leads to vanishing intergranular strains as damage proceeds, we find a significantly improved agreement between predicted and measured lattice strains inside the fatigue process zone. Consequently, the intergranular damage near fatigue crack tip is concluded to be responsible for fatigue crack growth.     

铝合金蚀坑损伤参量评述

将蚀坑损伤参量分成4 类:尺寸、形状、统计和试验参数,回顾了蚀坑深度、投影面积、长宽比、矩形比、表面腐蚀率、分形维数、预腐蚀系数等影响剩余寿命的主要损伤参量,总结了蚀坑等效成初始裂纹的方法.     

高强度钢的超高周疲劳裂纹扩展模型研究

当疲劳寿命在106或107周时,Wöhler S-N 曲线被看作渐近于水平轴,107的疲劳强度被看成是疲劳极限。现代应用要求延长零件的工作寿命,实际齿轮部件应用超过107循环的疲劳失效。本文应用压电超声疲劳试验机对经过热处理和渗碳处理后的低铬合金钢材料进行研究,采用红外摄像仪观测试件表面的温度场随疲劳裂纹萌生和扩展的过程。试验条件是室温,应力比为0.1（R=0.1）,频率为20KHz。通过对表面渗碳处理后试件的断口分析,探讨表面渗碳处理、微观结构和与杂质有关的断裂机理,根据Paris公式建立超高周疲劳裂纹扩展模型。对裂纹扩展过程中裂纹尖端的塑性区的分析结果,结合传热学原理,建立热耗散模型,有限元方法的数值解结果较好地符合红外摄像仪的观测的试验结果。     

Fatigue damage evolution in silicon films for micromechanical applications

In this paper we examine the conditions for surface topography evolution and crack growth/fracture during the cyclic actuation of polysilicon microelectromechanical systems (MEMS) structures. The surface topography evolution that occurs during cyclic fatigue is shown to be stressassisted and may be predicted by linear perturbation analyses. The conditions for crack growth (due to pre-existing or nucleated cracks) are also examined within the framework of linear elastic fracture mechanics. Within this framework, we consider pre-existing cracks in the topical SiO₂ layer that forms on the Si substrate in the absence of passivation. The thickening of the SiO₂ that is normally observed during cyclic actuation of Si MEMS structures is shown to increase the possibility of stable crack growth by stress corrosion cracking prior to the onset of unstable crack growth in the SiO₂ and Si layers. Finally, the implications of the results are discussed for the prediction of fatigue damage in silicon MEMS structures.     

Strain-induced passivity breakdown in corrosion crack initiation

Corrosion crack nucleation and growth are modelled as a moving boundary problem. The model incorporates three physical processes––dissolution, passivation and straining––into a continuum mechanical framework. The dissolution triggers surface advance; the passivation restrains the access of the environment to bare metal; the deformation causes for passivity breakdown. Plane cracks nucleating from surface pits in an elastic–plastic material body under fatigue load are considered. The problem is solved using a FEM program and a moving boundary tracking procedure. The model simulates how cracks form and grow in a single continuous course. The geometry of the developed cracks is found independent of the initial pit size. Plasticity is found to influence the curvature at the tip of the nucleated corrosion cracks. The most important evolution length parameter, the width of the corrosion crack, is found to depend on the size constraints of the tracking procedure. It is concluded that the model is deficient for determining all length scales observed in reality. Physical processes to be considered in an advanced model are proposed and discussed.     

微动频率对钢丝拉扭复合微动腐蚀疲劳行为影响研究

拉扭复合微动腐蚀疲劳是深井提升钢丝绳主要失效形式之一,深井提升钢丝绳振动频率决定钢丝间微动频率,直接影响钢丝拉扭复合微动腐蚀疲劳机理和损伤程度,进而制约深井提升钢丝绳服役安全性. 本文作者通过自制钢丝拉扭复合微动腐蚀疲劳试验机开展了酸性电解质溶液中钢丝拉扭复合微动腐蚀疲劳试验,通过钢丝切向力-位移幅值和扭矩-扭转角滞后回线分析了拉扭复合微动腐蚀疲劳过程中钢丝间接触状态及轴向和扭转方向钢丝耗散能,运用扫描电子显微镜和三维白光干涉表面形貌仪考察了拉扭复合微动腐蚀疲劳过程中钢丝磨痕形貌和磨损深度轮廓特性,采用X射线三维成像系统揭示了钢丝拉扭复合微动腐蚀疲劳裂纹扩展演化规律,通过电化学分析仪分析试验后钢丝Tafel极化曲线和阻抗谱以探究钢丝电化学腐蚀倾向和耐腐蚀性,揭示了微动频率对拉扭复合微动腐蚀疲劳过程中钢丝间接触状态、钢丝耗散能、微动磨损机理、疲劳裂纹扩展演化和疲劳寿命、电化学腐蚀倾向和耐腐蚀性的影响规律. 结果表明:在拉扭复合微动腐蚀疲劳过程中,随着微动频率的增加,钢丝间由完全滑移和部分滑移混合状态变为完全滑移状态,钢丝扭矩-扭转角滞后现象削弱,钢丝切向力-位移幅值和扭矩-扭转角滞后回线对应的耗散能均总体降低,钢丝间摩擦系数和钢丝磨损深度均降低,钢丝磨损机理均为磨粒磨损、黏着磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损,钢丝最大裂纹深度和裂纹扩展速率均降低,疲劳寿命增加,钢丝电化学腐蚀倾向下降和耐腐蚀性增强.      

沥青混合料疲劳过程的损伤力学分析

采用损伤力学方法研究沥青混合料的疲劳失效问题。针对悬壁梁弯曲疲劳试件,推导出疲劳过程中应力场、损伤场和疲劳裂纹形成寿命的工程封闭公式。根据沥青混合料特点,提出一种模拟疲劳裂纹扩展的特征单元失效模式,从而将疲劳裂纹形成与扩展两个阶段统一用损伤力学理论进行描述和分析。本文对沥青混合料试件的疲劳裂纹形成寿命与扩展寿命分段进行了预测,还对疲劳过程中刚度衰减及位移幅值的演化过程进行了数值模拟计算。理论预期与实验结果吻合良好。