试样疲劳性能尺度效应的概率控制体积方法

试样尺度、缺口和加载方式通常对材料的疲劳性能具有重要影响. 因此,发展关联试样尺度、缺口和加载方式对疲劳强度影响的方法对于从材料疲劳性能到结构件疲劳性能的预测具有重要意义.首先,采用旋转弯曲加载和轴向加载方式对不同几何形状EA4T车轴钢试样进行了疲劳实验.实验结果表明, 由于试样尺度的增加,轴向加载下狗骨形试样的疲劳强度明显低于沙漏形试样; 相同寿命下,缺口显著降低试样的疲劳强度. 疲劳断口扫描电镜观测结果表明,疲劳裂纹均起源于试样表面.沙漏形试样和狗骨形试样疲劳断口大多只有一个裂纹源,而缺口试样疲劳断口均具有多裂纹源特征. 然后,采用概率控制体积方法研究了试样尺度、缺口和加载方式对疲劳强度的影响,并与临界距离和应变能密度方法进行了比较. 结果表明,概率控制体积方法能够更好地关联试样尺度、缺口和加载方式对EA4T车轴钢疲劳强度的影响.最后, 提出一种基于控制体积的结构件疲劳强度预测方法,并用于具有不连续高应力区域车轴钢试样的疲劳强度预测,预测结果与实验结果 吻合.      

气体渗氮对中碳车轴钢疲劳性能的影响

为了评估气体渗氮对实际车轴疲劳性能的影响,对经气体渗氮处理的中碳车轴钢小试样进行了轴向加载疲劳试验。结果表明,与未处理试样相比,去除氧化物层及去除氮化物层的渗氮试样疲劳强度逐级提高。未处理试样和去除氧化物层的渗氮试样发生表面破坏,去除氮化物层的渗氮试样发生内部夹杂破坏。分析阐明了渗氮处理的材料表面层对疲劳性能的影响。另外,通过与中碳车轴钢渗氮小试样旋转弯曲疲劳试验结果的比较与分析表明,小试样轴向加载疲劳试验的方法用于评估实际车轴疲劳性能更加准确。     

缺口件疲劳寿命分布预测的有效应力法

本文提出了一种由光滑件疲劳寿命试验数据预测缺口件疲劳寿命分布的有效应力法。该方法中缺口件的裂纹可能萌生表面被分解成一个个微元,整个表面可看成是这些微元组成的一个串联模型,按照串联概率失效模型,缺口件的疲劳强度失效概率就可以由各微元的疲劳强度失效概率计算得到,其中微元的疲劳强度失效概率是由光滑件的疲劳强度失效概率通过最弱环节理论计算得到的。在缺口件的疲劳强度失效概率表达式中,引入了有效应力的概念,用它查取光滑件的疲劳寿命试验数据就可以直接得到缺口件的疲劳寿命分布。该方法可以同时考虑到应力梯度和试件尺寸对缺口件疲劳寿命分布的影响。进行了材料LY12CZ的带中心孔缺口件的寿命算例分析,预测结果和试验结果吻合良好,表明该方法是有效的。     

超声疲劳试验方法及其应用

超声疲劳是一种加速的疲劳试验方法,它的测试频率(20kHz)远远超过了常规疲劳测试频率(小于200Hz)．超声疲劳试验研究表明50^#车轴钢和40Cr钢直到10^10个应力循环后仍会发生疲劳断裂,并不存在常规疲劳试验曲线所示的“疲劳极限”,因此用10^7周次的疲劳试验数据进行疲劳强度设计并不安全．50^#车轴钢和40Cr钢超声疲劳性能优于常规疲劳性能．扫描电镜分析表明,超长寿命阶段50^#车轴钢裂纹萌生于次表面夹杂．介绍了超声疲劳试验系统、工作原理及超声疲劳试样的设计．     

超声弯曲疲劳试验方法及其应用

在三点弯曲超声疲劳试验方法的基础上开发了对称弯曲超声疲劳试验系 统. 介绍了对称弯曲超声疲劳试样的设计及其加工误差的影响,并利用对称弯曲超声疲劳系 统(20\,KHz)测定了50$^{\#}$车轴钢的$S$-$N$曲线. 结果表明,50$^{\#}$车轴 钢的$S$-$N$曲线是一条连续下降型曲线. 与对称拉压加载下50$^{\# }$车轴钢的$S$-$N$曲线对比结果表明,在高周阶段,加载方式对疲劳性能有明显 影响,而在超高周阶段,加载方式无明显影响.     

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.     

??????????????μ???????

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     

LZ50车轴钢疲劳短裂纹萌生的数值模拟

针对LZ50车轴钢的疲劳短裂纹应用数值方法对疲劳短裂纹在LZ50车轴钢中的萌生进行了数值模拟.利用二维Voronoi图随机地生成了该材料的微观结构.根据对疲劳试样所施加的载荷,结合有限元法得到了该微观结构中应力和应变的分布规律.最后利用材料的疲劳S-N曲线和裂纹萌生的概率方法给出了在不同循环周次下LZ50钢中疲劳短裂纹的萌生过程.该数值模拟的结果可用于进一步分析LZ50车轴钢中疲劳短裂纹的扩展和群体演化行为.文中还指出在单向拉压的工况下,短裂纹的萌生方向主要受到与载荷方向相一致的应变影响,最大剪应变方向萌生方向的夹角为45°.     

预冷变形对Cu-Ni-Si铜合金疲劳性能和破坏行为影响研究

为了研究预冷变形处理对Cu-Ni-Si铜合金的疲劳性能和破坏行为的影响,对含有预冷变形处理和不含预冷变形处理的Cu-Ni-Si铜合金进行拉伸实验、疲劳实验、裂纹扩展实验等相关实验,并通过扫描电镜对试样疲劳断口进行观察。结果表明,预冷变形处理大幅提高了材料机械强度、降低了材料韧性,同时使疲劳强度降低,其中,107寿命对应疲劳强度下降4.7%。试样的疲劳破坏均萌生自表面的晶体滑移,预冷变形处理的试样在裂纹扩展阶段表现为穿晶破坏,而不含预冷变形处理的试样在裂纹扩展阶段表现为沿晶和穿晶的混合破坏模式。预冷变形处理试样在裂纹稳定扩展阶段,表现为剪切型破坏,而不含预冷变形处理的试样在裂纹萌生后,裂纹转向在最大拉应力面内扩展直到最终的破坏。由上述结果可知,预冷变形改变了Cu-Ni-Si铜合金的疲劳破坏行为,从而影响了其疲劳性能。     

微粒子喷丸对等温淬火球墨铸铁超高周疲劳性能的影响

为分析微粒子喷丸工艺对等温淬火球墨铸铁(ADI)超高周疲劳性能的改善情况,利用旋转弯曲疲劳试验机开展了ADI 109循环周次疲劳试验。对比分析了经微粒子喷丸处理前后试样的疲劳性能,并利用扫描电镜对断口表面进行观察,分析了其超高周疲劳破坏行为。结果表明:未喷丸和喷丸处理后ADI的S-N曲线均表现为典型的阶梯下降型,且在超高周区域没有传统疲劳极限。微粒子喷丸可显著提高原始材料高周阶段的疲劳强度,超高周阶段的疲劳强度也有一定程度的提升。断口观察显示,超高周阶段两种试样均起裂于内部的缩孔或石墨球,并且部分断口表面可观察到粒状亮面GBF(granular bright face)区域。微粒子喷丸所引入的硬化层及残余压应力迫使疲劳裂纹萌生位置向内部转移。通过降低裂纹萌生位置的应力可改善旋转弯曲条件下超高周阶段的疲劳强度。     

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。     

16Mn钢在不同条件下的疲劳行为研究

对截面为3 mm×3mm的16Mn钢试件在空气和3.5%NaCl溶液中分别进行疲劳试验,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,3.5%NaCl腐蚀溶液使16Mn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,而在3.5%NaCl溶液中一般有多个裂纹源,而...     

超声疲劳载荷下球墨铸铁裂纹扩展速率研究

论文采用超声疲劳试验技术测试了发动机曲轴用球墨铸铁的超高周疲劳强度及超声疲劳载荷下的裂纹扩展速率.考虑高频载荷下疲劳裂纹扩展过程中的温升效应,测试了球墨铸铁超声疲劳裂纹扩展过程中的温度变化,研究了超声微幅循环载荷下球墨铸铁的疲劳裂纹萌生与扩展机制.根据超声疲劳试验控制位移的加载特点及超声疲劳试样几何形状特征,数值计算了超声疲劳裂纹扩展应力强度因子,给出了该球墨铸铁超声疲劳裂纹扩展速率曲线.     

基于TCD理论的缺口试样疲劳强度尺寸系数计算

为了建立疲劳强度尺寸系数计算公式,基于TCD理论对缺口试件的疲劳强度进行了研究．引入与材料疲劳强度以及疲劳裂纹扩展应力强度因子门槛值相关的临界距离,建立了试样缺口根部的应力幅函数．利用有限元计算结果对应力幅函数的参数进行拟合,并由此建立了缺口件的疲劳强度尺寸系数计算公式．最后,基于该方法针对两种材料(Q235和45#)以及不同缺口形状（U型和半圆型）分别进行了实例计算,所得结果与实验数据较为吻合．     

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。     

模拟体液环境下植入用Ti6Al7Nb合金的高周疲劳行为

Ti6Al7Nb合金作为一种新型的医用植入材料,在临床上已得到了推广应用,其在人体内长期服役情况下的疲劳行为值得关注。本文采用超声加速振动疲劳实验结合扫描电子显微镜微观观察,研究了植入用Ti6Al7Nb合金在空气和模拟体液环境下的高周疲劳行为。结果显示,Ti6Al7Nb合金不存在传统意义上的疲劳极限,其疲劳强度随着循环周次的增大而减小;Ti6Al7Nb合金在模拟体液环境中的疲劳性能远低于空气环境中,在108周次下的疲劳强度比空气环境中低23%;Ti6Al7Nb合金在空气和模拟体液中的疲劳性能都低于Ti6Al4V合金。断口显微观察发现,疲劳裂纹均萌生于试样表面。模拟体液会导致材料脆化,促进表面疲劳裂纹的萌生,从而降低材料的疲劳强度。     

柔度法研究镍铬合金焊材的高温疲劳裂纹扩展行为

金属材料的高温疲劳裂纹扩展速率试验,关键问题在于高温环境下精确测量试样的裂纹长度.基于柔度测试技术,通过改进现有高温应变引伸计实现了FFCT试样的高温疲劳裂纹扩展速率测试.利用有限元方法对具有分层构形CT试样的柔度方法进行了研究,获得了分层结构CT试样的等效弹性模量表达式,通过迭代方法对实时裂纹长度进行修正,获得了良好的预测精度.完成了镍铬合金焊带、焊条和焊丝三种焊材常温和350℃下的疲劳裂纹扩展速率试验,获得了相应的疲劳裂纹扩展规律.     

缺口件表象疲劳极限的定量化分析

测定了淬火、高温回火35CrMo钢光滑试样和三种缺口试样的三点弯曲疲劳极限,并利用ANSYS有限元软件计算了缺口试样加载时缺口截面上的应力分布.用“疲劳源形成的微细观过程理论”对试验结果进行了分析,认为,疲劳源的形成虽然发生在个别薄弱晶粒内部,是其中位错往返运动及交互作用的结果,但还必须满足一定的形变协调条件和概率条件,因而必须形成由相当多晶粒组成的“细观屈服区”.对试验结果的分析表明,如取“细观屈服区”临界尺寸(xW)等于11个奥氏体晶粒平均直径,则计算得到的缺口试样的表象疲劳极限,与实测值相比,其综合误差最小.据此计算的三种缺口试样的表象疲劳极限,其误差都小于5％.该xW可认为是材料的特征参量.     

汽车大梁钢疲劳性能的宏观尺寸效应研究

汽车大梁钢的疲劳性能是影响其产品总体质量的重要指标.以一种新型汽车用大梁钢产品WL510为研究对象,采用高频疲劳试验研究了6mm厚度和8mm厚度两种不同规格试样的疲劳行为,详细说明了试验准备过程和试验方法,给出了各自不同存活率下的P-S-N曲线.结果表明,两组试验结果仍有较小的差距,在50%存活率下,平均疲劳强度相差9 MPa,随着失效概率的降低,该差距有不断收敛缩小的趋势.较厚试样疲劳强度较低,相关系数较小,而偏差较大.分析了试样宏观尺寸对疲劳极限的影响机理和导致该试验现象的原因.     

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.