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。     

应用于航空航天的疲劳寿命分析方法最近进展

综述了根据实验数据预测在模拟的工作载荷下裂纹扩展行为的断裂力学概念.讨论了从微观和宏观裂纹表面的观测以及从常温和高温实验数据的分析得出的力学机理.提出了用于飞机骨架裂纹形状及分布的循环损伤、时间相关的损伤及混合循环-率相关损伤的断裂力学参量.疲劳寿命分析的讨论包括裂纹定常扩展的减速和加速所引起的裂纹扩展行为.还讨论了将现有的方法推广用于高温条件下。     

机翼全尺寸延寿试验及可靠性分析

机翼全尺寸疲劳试验是老龄飞机延寿的科学依据。本文介绍了疲劳裂纹形成和扩展寿命的分散系数，以及可靠度和标准差的选取。针对延寿的可靠性分析，提出按疲劳／损伤容限设计概念或当量裂纹扩展寿命方法，以及机翼串联模型，确定整机延寿使用寿命的技术途径。最后给出应用实例。     

基于能量耗散分析的混凝土随机疲劳损伤模型

基于微-细观随机断裂模型(MMSF)发展了一类混凝土随机疲劳损伤模型。该模型将MMSF中的微弹簧视为一能量耗散单元并考察了其跨尺度的能量耗散过程。在纳观尺度,引入速率过程理论描述裂纹的扩展速度,并基于裂纹层级模型和自相似假定完成从纳观尺度到微观尺度的过渡。由此建立了微弹簧在疲劳荷载作用下的多尺度耗能描述。此外,为了考虑疲劳加载中混凝土多条裂纹的相互影响,引入了包含损伤扩展效应和损伤愈合效应的疲劳损伤因子来修正耗能表达。通过与相关试验的对比,证明了该模型能反映疲劳荷载作用下混凝土的主要力学行为,如疲劳损伤三阶段特点、疲劳寿命的离散性和疲劳寿命随加载频率的变化趋势等。     

铝锂合金微裂纹-短裂纹生长过程的实验观察

通过二元铝锂合金的细观拉伸疲劳实验，动态观察了试样表面金相微观结构组织的变化及微裂纹的萌生及扩展直至断裂的全过程，并分析讨论了晶界及微结构对微裂纹萌生及扩展的影响，微裂纹向短裂纹、长裂纹发展的判据．该实验材料是模型材料，晶界结合强度较弱，裂纹沿晶开裂现象较多．经对实验结果及金相裂纹分析，表明金属材料微结构对裂纹扩展有明显的影响．晶界作为一种物质界面存在于晶粒间，具有一定的物理和力学性质，对微裂纹扩展速率及发展行为有较大影响．     

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.     

高温疲劳表面短裂纹的分形研究

对2.25Cr-1Mo合金钢进行了高温疲劳实验，采用中断试验与复膜技术相结合的方法观测了试样表面疲劳短裂纹萌生，扩展及合体的演化过程，并用数据格子方法研究了含裂纹表面的分形特征。结果表明：疲劳短裂纹的萌生扩展行为具有分形特征，可以用分形理论加以描述；分形维数随着疲劳过程的继续而稳定地成比例增加；分形维数可以作为把握材料总体损伤状态的参数，可作为寿命评价的依据。     

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.     

基于耗散能密度的疲劳裂纹扩展规律研究

在疲劳裂纹扩展过程中,裂纹尖端的能量耗散决定了裂纹扩展能力.研究基于耗散能密度的裂纹扩展规律更有物理意义.耗散能密度是材料疲劳性能的一种表征参数,实验测得了镍基高温合金GH4169材料室温和450℃高温的耗散能密度与控制应力幅值的关系曲线.参照Paris公式的形式提出了基于耗散能密度的裂纹扩展方程,并通过疲劳裂纹扩展试验测量了GH4169材料在室温和450℃高温下的裂纹扩展速率与耗散能密度的关系.试验结果的总体趋势与所提出的扩展方程一致.     

基于声发射原理监测涂层疲劳磨损的研究

采用超音速等离子喷涂设备在45^#钢基体上制备了铁基自熔剂合金涂层,通过球盘式接触疲劳试验机考察了喷涂层的疲劳磨损行为,利用声发射技术实时监测涂层的疲劳磨损过程,使用扫描电子显微镜对涂层不同疲劳磨损阶段的损伤形貌进行表征,并分析了涂层损伤机理.结果表明:转速2 000 r/min和应力水平1.848 9 GPa条件下,剥落是涂层失效的主要形式.声发射幅值和绝对能量可以反映涂层的疲劳磨损过程.涂层的疲劳磨损过程主要包括弹塑性变形、裂纹萌生、裂纹稳定存在、裂纹稳定扩展、裂纹失稳扩展5个阶段,其中裂纹稳定存在时间是影响疲劳寿命长短的关键.     

粉末冶金涡轮盘简单模拟件低周疲劳寿命研究

采用光滑圆棒试样和带孔平板试样,对不同温度下的镍基粉末高温合金(FGH95)的低周疲劳(LCF)寿命进行了试验研究和有限元分析。在详细分析试验和有限元计算结果的基础上,提出了复杂应力状态下的低周疲劳寿命模型。模型寿命表达为真实应力幅的函数,模型参数由不同应力水平加载作用下的光滑圆棒试样试验结果给定,进一步采用涡轮盘简单模拟件即带孔平板试样对比验证LCF寿命模型的有效性。有限元计算结果显示,理论预测寿命与试验结果能很好地吻合。     

Measurement of Strain Localization Resulting from Monotonic and Cyclic Loading at 650 <Superscript>∘</Superscript>C in Nickel Base Superalloys

A methodology is presented for the use of the oxide scale that develops in polycrystalline Ni-base superalloys at service temperature, as a speckle pattern for μm-scale resolution strain measurements. Quantitative assessment of the heterogeneous strain field at the grain scale is performed by high-resolution SEM digital image correlation under monotonic and cyclic loading in polycrystalline Ni-base superalloys up to 650 ^°C. In the René 88DT superalloy, strain localization is observed near twin boundaries during low cycle fatigue (LCF) at intermediate temperatures, correlating with activation of {111} 〈110〉 and {111} 〈112〉 slip systems. A strong correlation between the microstructural configuration that promotes strain localization during monotonic loading and crack initiation at 650 ^°C in low cycle fatigue was observed.     

Relationship between fatigue life in the creep-fatigue region and stress-strain response

On the basis of mechanical tests and metallographic studies, strain-range partitioned lives were predicted by introducing stress-strain materials parameters into the universal slopes equation. The method was developed by correlating fatigue-damage mechanisms and deformation mechanisms operating at elevated temperatures. Correlation between high-temperature fatigue and stress-strain properties for nickel-base superalloys and stainless steel substantiated the method. Parameters which must be evaluated for PP-and CC-life are the maximum stress achievable under entirely plastic strains, and the elastic modulus. For plasticity/creep interaction conditions (PC and CP) two more pairs of stressstrain parameters must be ascertained.Paper was presented at the 1988 SEM Spring Conference on Experimental Mechanics held in Portland OR on June 5–10.     

Creep,plasticity, and fatigue of single crystal superalloy

Single crystal components in gas turbine engines are subject to such extreme temperatures and stresses that life prediction becomes highly inaccurate resulting in components that can only be shown to meet their requirements through experience. Reliable life prediction methodologies are required both for design and life management. In order to address this issue we have developed a thermo-viscoplastic constitutive model for single crystal materials. Our incremental large strain formulation additively decomposes the inelastic strain rate into components along the octahedral and cubic slip planes. We have developed a crystallographic-based creep constitutive model able to predict sigmoidal creep behavior of Ni base superalloys. Inelastic shear rate along each slip system is expressed as a sum of a time dependent creep component and a rate independent plastic component. We develop a new robust, computationally efficient rate-independent crystal plasticity approach and combined it with creep flow rule calibrated for Ni-based superalloys. The transient variation of each of the inelastic components includes a back stress for kinematic hardening and latent hardening parameters to account for the stress evolution with inelastic strain as well as the evolution for dislocation densities. The complete formulation accurately predicts both monotonic and cyclic tests at different crystallographic orientations for constant and variable temperature conditions (low cycle fatigue (LCF) and thermo-mechanical fatigue (TMF) tests). Based on the test and modeling results we formulate a new life prediction criterion suitable for both LCF and TMF conditions.     

镍基单晶高温合金定向粗化行为及高温蠕变力学性能研究进展

镍基单晶高温合金是一种广泛应用于航空发动机和工业燃气轮机的两相叶片材料,由软的$\gamma $ 基体相和均匀镶嵌在其中的立方状 $\gamma'$ 沉淀强化相组成.它有个显著的特征,即在高温施加应力条件下, $\gamma '$沉淀相会发生定向粗化, 形成筏状.这种筏化行为直接影响了合金的蠕变疲劳寿命,是镍基单晶高温合金强化机制研究的重点. 此外,镍基单晶高温合金无晶界, 不存在高温晶界弱化、纵向晶界裂纹等问题.因此, $\gamma$/$\gamma'$相界面的位错运动、微观结构以及在载荷和温度作用下的演化决定了其蠕变力学性能.本文从镍基单晶高温合金的微观强化机制出发对定向粗化行为及蠕变力学性能进行了综述.重点介绍了定向粗化行为发生的微观机理、驱动力、影响因素和蠕变过程中界面微结构演化、蠕变力学模型以及定向粗化对高温蠕变力学性能的影响,指出了高温蠕变力学性能研究的发展方向和仍待解决的问题.      

Low cycle fatigue behavior of single crystal superalloy with temperature gradient

In present study, low cycle fatigue model based on rate dependent constitutive formulation with kinematic hardening and fatigue damage rule is introduced to investigate the fatigue behavior of single crystal superalloys with temperature gradient. Low cycle fatigue tests with uniform temperature and with temperature gradient are carried out to investigate the influence of temperature gradient. The microstructure reveals that the slip deformation is a principal mechanism of low cycle fatigue with temperature gradient. Complex stress experiments of low cycle fatigue are carried out to verify the life prediction rule. Bauschinger effect, ratcheting effect and fatigue damage of single crystal superalloy at different temperatures are studied. Special attention is placed on the simulation of low cycle fatigue behavior with temperature gradient. The simulation results show that the ratcheting effect at high temperature is more remarkable than that at low temperature due to the influence of temperature gradient, which results in the difference of damage evolution between high temperature zone and low temperature zone. Comparison between experiments and simulations with temperature gradient proves that the predicted model based on the damage of the second cycle is reasonable.     

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。     

CHARACTERISTICS OF FATIGUE SURFACE MICROCRACK GROWTH IN VICINAL INCLUSION FOR POWDER METALLURGY ALLOYS

Inclusion flaw is one of the worst flaws of powder metallurgy. The inclusion flaw plays an important role in the failure of high temperature turbine materials in aircraft components and automotive parts, especially fatigue failure. In this paper, an experimental investigation of fatigue microcrack propagation in the vicinal inclusion were carried out by the servo-hydraulic fatigue test system with scanning electron microscope (SEM). It has been found from the SEM images that the fatigue surface microcrack occurs in the matrix and inclusion. According to the SEM images, the characteristics of fatigue crack initiation and growth in vicinal inclusion for powder metallurgy alloys are analyzed in detail. The effect of the geometrical shape and material type of surface inclusions on the cracking is also discussed with the finite element method (FEM).     

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。     

基于微结构动态演化机制的单晶镍基高温合金晶体塑性本构及其有限元模拟

因其优异的高温力学性能,镍基单晶高温合金在航空航天和能源等领域得到了广泛的应用.镍基单晶高温合金优异的高温性能来源于其特有的两相微结构.基于代表体胞模型及分块均匀化方法,以位错密度为主要内变量,发展了一个包含两相微结构和位错演化信息的单晶镍基高温合金塑性行为的本构模型.该本构模型充分考虑了镍基单晶合金中位错在基体相和沉淀增强相中的多种演化机制,例如,基体位错八面体滑移、立方滑移、位错攀移、交滑移、位错弓出、位错切过沉淀增强相以及位错Kear-Wilsdolf(K-W)锁形成与解锁等.在商用有限元软件ABAQUS的框架下,编制了UMAT用户材料子程序.利用该用户子程序,对单晶和多晶镍基高温合金在不同温度、不同加载方向下的单调塑性、循环塑性、蠕变等典型行为进行了计算模拟.结果表明:该晶体塑性本构模型能"统一地"刻画镍基高温合金在不同温度、不同方向下的多种变形行为,并与实验结果具有良好的一致性.