孔径尺寸对干涉配合铆接件超高周疲劳性能的影响

合理的干涉配合铆接工艺可以有效提高构件疲劳性能,本文通过试验研究与数值模拟相结合分析孔径尺寸对干涉配合铆接件超高周疲劳性能的影响。利用20kHz超声疲劳试验系统测试了三种不同孔径尺寸下干涉配合铆接件的超高周疲劳性能;基于ABAQUS模拟分析了铆接工艺过程以及孔径尺寸对干涉量和孔边残余应力的影响,通过分析高频低幅加载下孔边应力分布,结合超高周疲劳试验及断口形貌观察,分析了孔径尺寸对铆接件超高周疲劳性能的影响。结果表明:不同孔径尺寸铆接件的裂纹萌生扩展方式类似,疲劳裂纹萌生均发生在孔边距表面1.5mm最大残余拉应力处;适当减小孔径尺寸所形成的合理干涉量可以提高铆接件疲劳寿命,φ4.10mm的孔径可以形成0.66%的孔边平均干涉量,铆接件疲劳寿命最高达到3.63×108周。     

焊接接头超高周疲劳实验研究

本文基于超声疲劳振动技术,设计了三种焊接接头试样(圆形对接焊接试样及其喷丸处理试样和板状十字焊接试样),并利用超声疲劳试验系统测定了其超高周疲劳性能,实验应力比为-1,频率20kHz,实验在室温条件下进行。实验结果表明,圆形对接焊接接头的疲劳性能高于板状十字焊接接头,喷丸处理能提高焊接接头的疲劳强度。将焊接接头的疲劳性能与对应形状的母材进行对比分析,发现焊接接头的疲劳性能远低于母材。在相同疲劳寿命的条件下,圆形焊接接头试件的疲劳强度仅为母材的45%,十字焊接接头试件仅为母材的29%;圆形对接接头在5×106周次以后,试件仍然发生疲劳断裂,而板状十字焊接接头在超高周区域(107～109周次)存在疲劳极限。超声疲劳断口的扫描电子显微镜分析结果显示,圆形焊接接头试件断口位置主要位于熔合区的焊趾处或焊接接头表面几何非连续处,十字接头试件断口位于焊趾处;焊接接头试件裂纹萌生于焊接缺陷、试样表面夹杂或熔合区的不连续处;喷丸处理对焊接接头的裂纹萌生机制没有显著影响。     

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．     

高温超声拉压疲劳试件设计与温度自动控制

本文较深入地开展了高温环境条件下的超声拉压疲劳实验系统研究,深入分析了试件温度高精测量与自动控制和高温试件设计的关键问题。实验系统可以实现高温环境条件下大于1010周次超高周次的疲劳加载。本实验系统利用传统超声疲劳试验机,使用非接触式红外测温仪对试件温度进行实时动态监测,采用间歇振动的方法保证温度波动小于±3℃。实验结果显示,采用本系统得到的实验结果与传统疲劳加载方式的结果一致性很好。本文工作为进一步开展高温环境条件下金属材料高温超高周(1010周次)疲劳损伤和疲劳破坏机理研究提供了新的有效的平台。     

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.     

GCr15钢超声微动疲劳性能研究

由微动产生的裂纹萌生对钢组件的疲劳强度具有重要影响。本文选择GCr15轴承钢,在20kHz超声疲劳试验机提供的循环载荷作用下,测试其超长寿命微动疲劳性能。试验结果显示,在109循环周次下微动疲劳强度影响因子达到0.37。通过电子扫描电镜观察试件磨损面和微动疲劳断口,并分析了高频超长寿命微动疲劳断裂机理。高周疲劳裂纹通常会在磨损面的粘着区与滑移区交界处萌生,超高周疲劳裂纹在粘着区内萌生。微动磨损面的面积以及磨损面的粘着区都随着试件疲劳寿命的增加而增加。     

钢构件应力集中区低周疲劳分析及实验研究

针对两个具有应力集中区的特定钢构件的低周疲劳问题进行理论分析和实验研究。文中提出了一套低周疲劳分析的相关近似方法 :由材料静力参数估算其疲劳参数 ,并利用实验数据加以修正 ,获得了循环应力 -应变曲线和应变 -疲劳寿命曲线 ;进而把非线性有限元法和局部应力应变分析结合在一起计算疲劳寿命。理论结果和实验结果作了比较 ,从而证明本文提出的分析方法是行之有效的。     

航空发动机钛合金材料的高周和超高周疲劳性能研究1）

通过对航空发动机空心风扇叶片用Ti-6Al-4V 随炉试样的高周和超高周疲劳试验研究,揭示了Ti-6Al-4V 材料在10⁷ 循环周次以上同样会发生疲劳破坏. 采用三参数幂函数寿命曲线拟合了高周和超高周的疲劳性能数据,发现可以较好地将两种试验下的数据衔接起来,结果显示在此试验条件下基于超声的超高周疲劳试验的频率效应可以忽略. 通过断口分析表明,超高周试样在试样表面没有缺陷的情况下,裂纹大多数是从材料内部或次表面萌生,而高周疲劳试样的裂纹是从材料表面开始萌生.     

合金材料超高周疲劳的机理与模型综述

在循环载荷作用下, 合金材料发生裂纹萌生、扩展直至断裂的周次在107以上的过程被称为超高周疲劳 (very-high-cycle fatigue, VHCF).本综述将从30年前超高周疲劳的研究起源讲起, 直到近年的最新进展.引言之后的内容包括: 超高周疲劳研究的起源, 超高周疲劳的主要特征, 超高周疲劳裂纹萌生特征区和特征参量, 裂纹萌生特征区的形成机理与模型, 超高周疲劳性能预测模型. 在叙述中, 试图回答下列问题: 什么是超高周疲劳?为什么要研究超高周疲劳?超高周疲劳的关键科学问题是什么?超高周疲劳的S-N曲线趋势为什么发生变化?超高周疲劳裂纹为什么萌生于材料 (试样) 内部?裂纹内部萌生的过程和机理是什么? 上述问题有的可以给出明确的回答, 有的则是现阶段的最新结果, 并有待于对问题的继续探索.      

再论超高周疲劳裂纹萌生特征区

关于合金材料超高周疲劳, 笔者提出了裂纹萌生特征区及特征参数的概念, 并提出了“大数往复挤压” 模型揭示裂纹萌生特征区形成机理. 对于高强钢, 该特征区为断裂面的细颗粒区; 对于钛合金, 该特征区为断裂面的粗糙区. 近年, 关于合金材料超高周疲劳裂纹萌生过程与机理受到疲劳领域广泛关注, 并有若干研究新进展. 对此, 有几个问题需要进一步论述, 包括: (1) 微结构细化并演化为纳米晶层的裂纹萌生特征区是发生在裂纹形成之前或之后? (2) 特征区的形成与加载应力比的关系? (3) 特征区纳米晶层的厚度、连续性和微结构细化程度? (4) 特征区的形成是否需要真空环境? 此外, 不同高强合金和不同加载方式的特征区形态也有新的进展. 本文将基于近年文献中的结果, 对这些问题进行综合论述. 本文还简要论述了裂纹萌生特征区概念和大数往复挤压模型的启示, 包括: 合金材料超高周疲劳特性的评估与预测、提高增材合金材料超高周疲劳性能的途径、制备纳米晶薄层材料的可能性. 在郑哲敏先生仙逝一周年之际, 以此文告慰我的导师郑先生.      

一种估算焊接节点S-N曲线的方法

本文以光滑材料试件的S-N曲线为基础,考虑了焊接节点的几何形状、加载形式、残余应力、应力比、尺寸等因素对疲劳寿命的影响,提出了一种估算节点S-N 曲线的方法.文中将几类节点疲劳实验结果与估算结果比较,两者吻合较好.从而可望为工程上估算节点 S-N 曲线提供一种有效的方法.     

短碳纤维局部增强混凝土疲劳性能实验研究

对局部增强短碳纤维混凝土进行三点弯曲疲劳试验,发现相同试件在不同应力水平下的疲劳寿命符合两参数威布尔分布,并由此建立考虑失效概率和高低应力比的局部增强短碳纤维混凝土双对数疲劳方程.在工程应用中可以根据实际情况确定失效概率,运用线性插值得到相应回归系数,求得双对数疲劳方程.通过比较相同应力水平下短碳纤维局部增强试件和素混凝土试件的试验结果,发现仅对混凝土进行低掺量的局部增强就可以成倍地提高混凝土的疲劳寿命.上述结果对混凝土路面工程或一些有特殊要求工程的设计有参考意义.     

复合载荷下脆性材料紧凑拉伸试件疲劳裂纹的预制

本文针对脆性材料的紧凑拉伸（CT）试件,提出了在复合疲劳载荷作用下预制疲劳裂纹的新方法,用此方法预制出7060-T6铝合金的CT试件疲劳裂纹并测试其断裂韧性。由于采用了框架结构和螺旋结构在CT试件的两侧面施加压缩载荷,在拉伸疲劳载荷作用下产生与之方向相反的压缩疲劳载荷,形成复合疲劳载荷,引起应力强度因子范围ΔK的下降,导致裂纹扩展速率的降低,从而控制了疲劳预制裂纹长度。此压缩疲劳载荷值用贴电阻片方法和组成全桥原理测定出。在一定拉伸疲劳载荷和压缩载荷下,可成功地预制出所需的疲劳裂纹长度。     

闪光对焊连接HRB400级钢筋疲劳试验与试验影响因素研究

基于闪光对焊连接的HRB400级高强钢筋,开展一系列疲劳性能试验,得到多组双对数双折线S-N曲线和疲劳应力幅;基于此对影响疲劳试验结果的试验频率、试验应力比、试验钢筋种类、焊接残余应力四个因素进行研究。研究结果表明:高、低频试验得到的疲劳应力幅有一定的差距,低频试验得到的疲劳应力幅比高频试验低约20MPa;应力比0.4时的疲劳应力幅比应力比0.2时的疲劳应力幅低,大直径的钢筋试件的疲劳应力幅较低,32mm直径的钢筋试件在应力比0.4时的疲劳应力幅与应力比0.2时的疲劳应力幅相差不大;闪光对焊连接HRB400高强钢筋试件的疲劳应力幅比HRBF400高强钢筋试件的疲劳应力幅高约10MPa~20MPa,且大直径钢筋试件的应力幅值差异较小。     

岩石动态断裂韧度的尺寸效应

采用两种圆孔裂缝平台巴西圆盘试件(一种为直径分别为42、80、122、155 mm的几何相似试件,另一种为直径80 mm、仅裂缝长度不同的单一尺寸试件)对岩石动态断裂韧度的尺寸效应进行了研究。给出了在霍普金森压杆系统上对试件进行径向撞击产生的应变波形和断裂模式。实验结果表明,对于几何相似试件,动态断裂韧度的测试值随着尺寸的增大而增大,而对于单一尺寸试件,其测试值随着中心裂缝长度的增加呈现先增大后减小的趋势。裂缝前端的断裂过程区长度和孕育时间是岩石动态断裂韧度测试值表现为尺寸效应的主要原因,为了减小尺寸效应,建立了考虑这两个参数在空间-时间域对动态应力强度因子的分布进行积分后再平均来确定岩石动态断裂韧度的方法。     

缺口根部塑性区和拉应力场对循环压缩疲劳裂纹止裂长度的影响

本文采用激光显微像面全息和散斑照像分离技术检测了双缺口试件在不同压缩应力条件下缺口根部塑性区的形状及大小,并采用有限元分析法计算了相同应力下的塑性区和裂端应力场.结果表明:用显微像面全息法测量塑性区的大小及形状简单易行,且有比较满意的工程精度. 对在不同压缩循环加载条件下测得的瘦劳裂纹止裂长度与所测压缩塑性区相比较表明:疲劳裂纹止裂长度和塑性区大小之间不存在简单的对应关系.止裂长度主要由缺口根部在循环压缩卸载过程中所产生的拉伸应力区控制.     

基于数字图像相关的激光修复镍基合金疲劳损伤表征方法研究

开展激光修复镍基合金的疲劳试验，对研究修复材料疲劳性能及分析其失效行为具有重要意义。疲劳过程中，试件产生局部损伤，会导致材料力学性能恶化。如何建立光学变形场与疲劳损伤参数的定量关系实现对疲劳损伤的有效表征，是实验力学领域备受关注的问题。从激光修复镍基合金疲劳失效行为研究的需求出发，本文建立了基于单相机三维数字图像相关的疲劳光力学测试系统，并设计了包含“修复基体-修复边界-修复区”的组合型拉伸疲劳试件，在建立的测试系统下可同时测量和表征试件三种区域的全场变形。利用所建立的测试系统，实现了激光修复材料在拉-拉疲劳过程中的全场变形在线测量，得到了不同疲劳周次下的试件基体、修复边界和修复区的位移场与应变场；根据测量得到的应变场提出了疲劳中以试件历经不同循环周次后的残余应变为损伤参量的表征方法，并获得了修复镍基合金试件疲劳过程中残余应变场的演化规律。试验结果表明，在疲劳过程中，试件残余应变场内存在应变集中现象，应变集中幅值随疲劳周次的提高而增加，试件残余应变集中区域内的应变集中值远高于非应变集中区域，因此根据该结果可有效地预测疲劳裂纹萌生的时机与位置。     

CrMoW转子钢高温超高周裂纹扩展及疲劳行为研究

本文研究了超超临界汽轮机CrMoW转子钢在常温与600℃条件下的超高周旋转弯曲疲劳行为。实验中利用位移传感器原位监测试件挠度变化,研究裂纹的萌生与扩展特性。研究结果发现,在常温下,疲劳裂纹主要萌生于试样表面,但也发现超高周次疲劳破坏的裂纹萌生于内部的情形。600℃时,S-N曲线呈现直线下降的趋势;大多试样裂纹萌生区和初始扩展区发现非金属夹杂物,其裂纹萌生是表面裂纹起源和亚表面夹杂物相耦合的结果。裂纹萌生寿命占整个疲劳寿命的90%以上,裂纹萌生寿命百分比(Ni/Nf)随疲劳寿命的延长而增大,并且温度对裂纹萌生寿命百分比没有影响。     

结构金属材料超高周疲劳破坏行为

受传统试验方法的限制,结构材料的疲劳研究范围常限于107周次以内。然而,过去十年出现了一系列意料之外的破坏事件,尤其是对于认为具有明显疲劳极限的钢铁结构部件。因此,对于不同材料达到1010周次的超高周疲劳行为的研究引起了广泛关注,尤其是近年来成为了热点。本文综述了结构金属材料超高周疲劳的研究现状并介绍了其基本方面。主要内容包括：加速疲劳试验方法的发展与应用、超高周疲劳引起的内部断裂的裂纹萌生机制与扩展特征、S-N曲线的形状特点、疲劳极限存在性及其预测、加载频率和环境及表面状况的影响等。在此基础上提出值得进一步研究的一些方向。     

超长寿命热—超声疲劳行为

工作频率在15－30kHz的超声疲劳技术是一种可以获取十亿周级以上超长寿命疲劳数据的可行而有效的方法。试件在高频超声载荷作用下会不可避免地产生摩擦生热。本文在研究球墨铸铁材料的超高周疲劳性能的同时，利用一种非接触红外线自动测温系统对整个实验过程中的试件进行了温度测试，实验表明超长寿命试件的温度变化可由两段组成：①10^7周前的温度徙升及随后的短暂下降；②10^7周后的相对温度平衡稳定。研究还进一步探讨了超长寿命疲劳的温度和频率效应。