TC25钛合金低周疲劳特性与断口分析

对TC25钛合金进行不同应力幅值下的低周疲劳试验,测试钛合金的低周疲劳寿命.在分析钛合金的低周疲劳应力应变迟滞回线的基础上,利用试验特性和应力应变本构关系,推导简化的Manson-Coffin公式,获取钛合金的应力-寿命曲线.最后,应用SEM对钛合金试样断口进行形貌观测,分析低周疲劳的断裂机理.结果表明,TC25钛合金的低周疲劳塑性变形,主要产生在加速断裂阶段.钛合金试样断面存在多处剪切唇,瞬时断裂由剪应力主导.钛合金的低周疲劳断裂以解理形核形成疲劳源,裂纹扩展存在多种模式,瞬断为准脆性断裂.     

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.     

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     

经不同表面改性处理的钛合金的微动疲劳和微动磨损行为对比研究

对比研究了钛合金微动疲劳(FF)和微动磨损(FW)失效行为,考察了表面喷丸强化和氮化等表面处理对钛合金微动疲劳和微动磨损性能的影响,探讨了钛合金微动磨损和微动疲劳性能的相关性.结果表明,钛合金微动疲劳和微动磨损损伤表面形貌特征相似;当微动位移幅较大、微动区发生整体滑动时,微动接触区磨损有利于延缓微动疲劳裂纹萌生;而在小位移幅、部分滑移情况下,局部磨损促进微动疲劳裂纹萌生.利用喷丸强化在钛合金表面引入残余压应力,可以在降低摩擦系数的同时,提高钛合金抗微动疲劳和微动磨损失效的能力;氮化处理后钛合金表面硬度提高,有利于改善其微动磨损性能,但表面韧性降低导致抗微动疲劳能力降低.因此,在提高表面硬度的同时,不应忽视表层韧性的降低对钛合金微动疲劳性能的不利影响.     

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.     

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．     

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。     

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。     

TC4钛合金超高周疲劳性能研究

应用基于压电超声疲劳技术开发的20kHz超声疲劳拉压试验系统,在室温下完成了对称载荷作用下TC4钛合金的超高周疲劳试验,并分析了次表面断裂的试件断口。结果表明:疲劳循环大于10~7周次时,试件仍会发生疲劳断裂,且疲劳强度会随循环次数的增加而下降,不存在明显的疲劳极限;TC4钛合金断口呈现"类鱼眼"形貌,能谱分析未观察到裂纹源处夹杂物的存在;疲劳断面的粗糙度随与疲劳源区距离的增大而减小,裂纹在后期扩展速率较快,并伴随少量塑性变形。该TC4钛合金次表面疲劳裂纹的产生是由其微观组织的不均匀或晶粒内部的滑移带导致的。     

温度影响下基于应力波的钛合金试件疲劳裂纹监测实验研究

本文对温度影响下应用应力波监测钛合金CT试件中的疲劳裂纹进行了研究。建立了由MTS材料试验机和温控箱组成的实验装置,模拟温度变化对应力波在钛合金试件中传播的影响。采用PZT压电元件分别在试件中激励和接收应力波信号。通过连续小波分析,提取应力波信号的多种特征用于表征疲劳裂纹的发生与发展,并对信号特征进行了统计分析。为在温度变化下监测钛合金试件中的疲劳裂纹,对信号特征进行多元偏值分析,采用马氏平方距离融合多个信号特征,在概率统计意义下确定钛合金试件中是否存在疲劳裂纹。实验结果表明了所提出方法的可行性和有效性。     

CrMoV合金钢的微动疲劳实验研究

本文利用一种自行设计的微动疲劳实验装置研究CrMoV合金钢的微动疲劳特性。作者研究了接触压力对材料微动疲劳寿命的影响规律,得到了研究条件下CrMoV合金钢的接触压力阈值。当接触压力较小时,微动桥压块与试件表面间有相对滑动,微动疲劳寿命随接触压力的增加快速下降;当接触压力达到或超过阈值62.5MPa时,微动疲劳寿命达到最低值并不再随接触压力的增加而下降。本文给出了CrMoV合金钢在接触压力为225MPa的微动疲劳曲线和零接触压力(纯)疲劳曲线,并给出微动疲劳强度与常规疲劳强度的关系,分析了微动疲劳破坏的微观机理。     

预应变对中碳钢扭转疲劳特性的影响

应用扭转疲劳试验机对退火后的非预应变45#钢及其3种预应变材料进行 实验. 实验结果表明：预应变量小于5%时,与非预应变材料相比疲劳极限降低10\%; 预应变量大于5{%}时,随着预应变量的增加,其疲劳极限有恢复的趋势,当预应变量达到 8%时,预应变材料与非预应变材料的疲劳极限几乎相等;当循环应力达到1*10^7$时,各种试件表面都有明显的停留裂纹存在.     

The effect of frequency and sample shape on fatigue behaviors of DZ125 superalloy

The effect of frequency and sample shape on fatigue behaviors of DZ125 superalloy are systematically studied. The results show that fatigue fracture still occurs above the cycle of 10⁸ for tests carried out at the frequency of f = 20 kHz and stress ratio R = ?1, so the traditional fatigue limit at cycle of 10⁷ is not appropriate for fatigue design. Fatigue fracture surfaces are perpendicular to stress axis for cylindrical and plate specimens, and the fatigue cracks originate from the extra surface of the specimens. Fatigue crack is apt to propagate from cutting direction to forward direction, which occurs mainly in the second propagation stage at higher stress amplitude. There is an obvious frequency effect for DZ125 superalloy. The higher the test frequency is, the more serious the effect of frequency on fatigue behaviors of the alloy. After the frequency correction, the ultra-high cycle fatigue S-N curve well coincide with the traditional fatigue S-N curve.     

CTOA and crack-tunneling measurements in thin sheet 2024-T3 aluminum alloy

The stable tearing behavior of 2.3-mm thick sheets of 2024-T3 aluminum alloy was experimentally investigated for middle crack tension specimens having initial flaws that were: (a) flat fatigue cracks (low fatigue stress) and (b) 45-deg through-thickness slant cracks (high fatigue stress). The critical CTOA values during stable tearing were measured by two independent methods, optical microscopy and digital-image correlation. Results from the two methods agree well.The CTOA measurements and observations of the fracture surfaces have shown that the initial stable tearing behavior of low and high fatigue stress tests is significantly different. The cracks in the low fatigue stress tests underwent a transition from flat-to-slant crack growth, during which the CTOA values were high and significant crack tunneling occurred. After crack growth equal to about the thickness (a>B), CTOA reached a constant value of 6 deg and after crack growth equal to about twice the thickness (a>2B), crack tunneling stabilized. The cracks in the high fatigue stress tests reach the same constant CTOA value after crack growth equal to about the thickness, but produced only slightly higher CTOA values during initial crack growth. The amount of tunneling in the high fatigue stress tests was about the same as that in the low fatigue stress tests after the flat-to-slant transition.This study indicates that stress history has an influence on the initial portion of the stable tearing behavior. The initial high CTOA values, in the low fatigue crack tests, coincided with large three-dimensional crack front shape changes due to a variation in the through-thickness crack-tip constraint. The measured CTOA reached a constant value of 6 deg for crack growth of about the specimen thickness. This coincided with the onset of 45-deg slant crack growth and a stabilized, slightly tunneled (about 20 percent of the thickness) crack-front shape. For crack growth on the 45-deg slant, the crack front and local field variables are still highly three dimensional.     

核电690合金传热管微动疲劳试验及损伤机理分析

核电蒸汽发生器传热管在微幅磨损与交变载荷的作用下形成微动疲劳,导致其表面裂纹萌生和扩展乃至破裂,从而影响反应堆的安全. 为研究径向载荷以及轴向交变应力对690合金管微动疲劳寿命的影响规律,开展690合金管管材的微动疲劳试验,获得690合金管管材的微动疲劳寿命曲线,并与相关研究数据进行对比分析,以便探讨材料在微动疲劳下的寿命模型. 对不同载荷下的690合金管试样的磨痕表面进行三维形貌和扫描电镜观测,分析磨损表面的损伤机理;对不同载荷下的690合金管试样断口的宏观与微观形貌进行表征,分析裂纹萌生、起裂过程及其失效机理. 结果表明690合金管与403不锈钢(SS)抗振条间的磨损机理为剥层及磨粒磨损;690合金管在径向载荷作用下于微动磨损处产生裂纹源,裂纹在轴向交变应力的作用下不断向内部扩展,最终导致断裂;其断裂形式为解理疲劳断裂.      

Rapid Determination of Fretting Fatigue Limit by Infrared Thermography

This paper demonstrates the feasibility of infrared thermography to determine the so-called fretting fatigue limit. Fretting fatigue tests are performed on aluminum and steel specimens. The coupled fatigue and tangential loads are sequentially increased (block loading) whilst the normal load is kept constant for all blocks. The temperature data is processed and analyzed using a Fast Fourier Transform (FFT) algorithm implemented in the commercial software Matlab. It is demonstrated that the second harmonic of the temperature signal can be linked to the specific loading block below which no or negligible damage is generated in the specimen. The stress amplitude of this block is considered to be a best estimate of the fretting fatigue limit. A constant amplitude fretting fatigue test with this stress amplitude confirmed that the specimen remains intact at 10⁷ cycles.     

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。