低碳钢单轴拉伸实验颈缩段的应力分析

为了深入研究塑性材料在单轴拉伸过程中的颈缩应力分布,结合Aramis三维应变测量系统对Q235钢和Q345钢进行了单轴拉伸实验。基于已有文献的颈缩外形理论,结合实验数据提出了颈缩阶段几何尺寸的变化规律公式,并与传统经验公式进行了对比。采用本文给出的颈缩阶段几何尺寸的变化规律公式计算,Q235钢误差率为27.73%,Q345钢误差率为20.49%;采用传统经验公式计算,Q235钢误差率为64.33%,Q345钢误差率为70.78%。结果表明,本文提出的变化规律公式精确度远高于传统公式精确度。基于此,在考虑材料系数的基础上推导出了包含材料系数的半解析半经验应力分布方程。     

30CrMnSiA材料疲劳损伤的激光检测及其细观机理

利用激光反射衍射谱面光强随疲劳损伤试样表面逐步粗糙化而变化的原理，用一种非接触、非破坏的间接疲劳损伤检测方法，对３０ＣｒＭｎＳｉＡ材料轴线平行于轧制方向（Ｌ）和垂直于轧制方向（Ｔ）两种不同试样进行拉——拉非对称循环疲劳损伤检测，证明谱面光强比Ｋ对疲劳损伤是敏感的；损伤变量Ｄ（Ｋ）和疲劳循环次数Ｎ的关系曲线大致可以分为疲劳损伤的减速、线性和加速损失区，从而对材料进行疲劳损伤检测并对其疲劳寿命进行估计；同时对扫描电镜图像分析得出衍射光强比变化所对应的疲劳损伤细观机理。     

基于三维DIC方法的高强钢拉伸力学性能测定

高强度钢在建筑等工程领域发挥着极为重要的作用,因此准确测定其力学性能具有至关重要的意义．鉴于传统机械引伸计在小尺寸试样变形测试中的不便性,利用三维数字图像相关(3D-DIC)方法,对8.8级螺栓和Q690钢这两类试样在单轴拉伸试验全过程中的变形进行了测试,分别得到了应力-应变曲线、弹性模量、屈服强度、强度极限、断后延伸率和断面收缩率,由于试样在屈服阶段应变增加而应力基本不变,因此同时研究了该阶段中试样从弹性变形演化到塑性变形的发展规律．实验结果表明三维DIC在小尺寸试样力学性能测试方面具有很强的优越性,可用来灵活地测量变形并研究变形的演化规律．     

一种FRP累积损伤模型及其在结构疲劳寿命估算中的应用

推荐了一种应变损伤累积模型，能够考虑单向板面内多轴应力和平均应力的影响。只需要单向板在确定应力比下的若干典型疲劳试验结果，就可以预测相同材料体系多向层压结构在不同应力比的循环载荷下的疲劳寿命，有助于降低试验成本和工作量。研究了适用于多向层压结构剩余强度估算和疲劳寿命预测的步骤和程序。针对碳纤维／树脂基T300／QY8911复合材料，试验测定了三组典型单轴循环应力（[0]16拉－拉、[90]16拉－拉和[0/90]4S剪－剪）下的S－N曲线。以此为输入，预测四种多向铺层板在各种拉－拉循环应力下的疲劳寿命，寿命预测结果和相应的试验结果吻合良好。采用了保持计算和试验的载荷／强度比相对等值的方法来近似抵消层合效应对疲劳寿命的影响。强调了进一步发展能够定量估计层间应力影响与分层扩展过程的疲劳损伤模型的重要性。     

Q235钢缺口试样拉压低循环疲劳的实验研究

以Q235钢制U型缺口板试样为研究对象,用有限元方法计算其缺口根部等效应变幅对应的试样标距段位移,以此控制试验机进行拉压循环疲劳试验。然后用局部应力应变法对试验测得的寿命结果进行分析。结果表明：无论用有限元还是修正Neuber公式计算缺口根部的应力应变,局部应力应变法的疲劳寿命评估只适用于缺口半径较大的试样;对缺口半径较小试样的估计寿命明显低于实测值,且有限元法比修正Neuber法更保守。进而又对试样缺口区域应变梯度的影响进行了探讨：参照有限元计算的应变梯度,利用Taylor模型估算了缺口根部的屈服应力和流动应力;在此基础上重新计算应变分布并估计试样的疲劳寿命,结果证实考虑应变梯度影响可改善缺口试样的疲劳寿命估计。     

低温环境下列车车轮材料磨损与损伤演变行为研究

利用低温环境装置和轮轨模拟试验机开展了室温(约20 ℃)与?40 ℃温度下列车车轮材料的滚动磨损试验,研究了?40 ℃下车轮材料磨损和表面与剖面损伤随循环次数的演变规律. 结果表明:温度的降低对车轮材料磨损和损伤机制有明显影响. 与室温相比,?40 ℃时车轮材料疲劳磨损明显减轻,磨损率下降. ?40 ℃工况下车轮材料磨损与损伤的形成具有明显演变特征. 在磨损初期,轮轨界面发生材料转移并在轮轨界面形成稳定的摩擦膜;摩擦膜的存在降低了车轮材料磨损率. 随循环次数增加,由于低磨损率,车轮表层材料在滚动载荷作用下持续累积塑性变形. 在磨损后期,累积了高塑性变形的车轮材料将促进裂纹萌生. 因此在车轮试样亚表层萌生大量裂纹,亚表层裂纹相互汇合,从而加速疲劳裂纹扩展.      

薄壁圆管空间结构的热疲劳可靠性分析

针对薄壁圆管的空间结构,分析其在交变热载荷下的疲劳可靠性问题。为同时考虑由截面平均温度和截面温差造成的疲劳损伤,提出了综合利用剩余强度和疲劳累积损伤模型的分析方法。首先根据疲劳累积损伤相等原理,将截面温差造成的多级扰动应力载荷作用频次等效为平均温度下的常幅应力载荷作用次数,从而将两者产生的热应力载荷统一为一常幅载荷,再利用剩余强度模型基于动态应力-强度干涉理论对疲劳可靠度进行分析,得到了结构在综合考虑两种热疲劳状态下的动态可靠度。本方法可避免直接利用疲劳累积损伤理论临界损伤值难以确定的问题,且能体现金属疲劳损伤的真实情况。最后以哈勃望远镜为例,分析了其主梁随疲劳热载荷循环作用下的动态可靠度,得出了一些有意义的结论。     

地震频率对Q235钢结构材料超低周疲劳行为的影响

研究了两种地震极限频率对于Q235钢结构材料的超低周疲劳性能的影响。采用横向应变控制方法,分别保持频率1Hz、3Hz恒定,在岛津电液伺服疲劳试验机上开展了试验钢的超低周疲劳试验。研究发现,循环应力响应特征,循环应力-应变关系,以及疲劳寿命均与频率相关,且在较高频率下,试验材料出现了二次循环硬化现象。分别建立了试验钢在两种频率下基于塑性应变幅值及应变速率的疲劳寿命预测公式。两种寿命预测公式均与试验结果吻合良好。通过电镜扫描(SEM),对比分析了不同频率下试验钢超低周疲劳下的微观断裂机理。     

磨损加疲劳载荷下的协同疲劳行为

自行研制的摩擦磨损装置与轴向疲劳试验机相互配合,实现GDL-1钢试样在疲劳应力(240~280 MPa)及接触载荷(30 N)作用下摩擦磨损疲劳试验.通过对磨损层厚度的分析,研究试样承受摩擦磨损载荷及拉压疲劳载荷双重作用下的疲劳寿命变化,用SEM扫描电镜观察分析次表层内疲劳裂纹扩展的演变过程,并采用Hertz线弹性理论和Smith接触理论计算分析摩擦表面以下切应力值.结果表明:在磨损疲劳载荷作用下,形变层的流变作用将显著影响疲劳小裂纹扩展方向,渐趋于切应力方向,从而提高试样疲劳寿命.在此基础上,建立了在摩擦磨损疲劳载荷下疲劳裂纹扩展模型.此外,计算可知在距表层深度0.03 mm处切应力最大,0.18 mm以内材料产生塑性变形,导致形变层的形成.     

激光冲击修复后压力容器钢Q345R耐腐蚀及抗疲劳性能研究

对激光冲击强化后的压力容器材料Q345R钢的耐腐蚀性能和抗疲劳性能进行研究。通过电化学实验,并结合扫描电子显微镜分析其耐腐蚀性。结果显示,有吸收层保护和无吸收层保护激光冲击后,相较于原试样,耐腐蚀性分别提升5.8倍和2.6倍;微观实验结果表明经过激光冲击后腐蚀试样表面裂纹明显少于未处理试样。但随着冲击次数增加,耐腐蚀性有所下降。疲劳试验结果显示,相同应力条件下,腐蚀1和2 h的疲劳寿命相较于原试样降低36.8%和56.4%,经过一次或三次激光冲击后试件的疲劳寿命分别提升43.8%和198.2%,经XRD检测,激光冲击能在表面形成一定深度的残余压应力层并抑制裂纹扩展。     

干态下车轮材料表面疲劳裂纹萌生试验研究

利用WR-1轮轨滚动磨损试验机,结合安定极限理论研究了干态下影响车轮材料表面疲劳裂纹萌生与扩展的因素,探究了表面疲劳损伤形成机理和演变规律.结果表明:随垂向力、横向力和冲角增大,表面疲劳裂纹越容易萌生扩展;冲角对表面疲劳裂纹的萌生与扩展起着重要作用,大冲角下斜线状表面疲劳裂纹萌生扩展明显;只有横向力而不存在冲角时,试样表面不会出现斜线状表面疲劳损伤;车轮试样在周期性循环载荷作用下在表面先形成塑性流动,然后沿轮轨表面切向力方向扩展成斜线状的表面疲劳起皮剥落损伤;垂向力是影响表面裂纹萌生时间的重要因素之一.     

低温荷载下沥青路面非线性疲劳损伤数值模拟

为了研究沥青路面结构在温度荷载作用下的疲劳损伤特性,运用通用有限元软件ABAQUS及其二次开发平台,建立了考虑路面材料非线性疲劳损伤的沥青路面结构数值计算模型。分析了沥青路面结构损伤、水平拉应力基于温度荷载重复作用,随空间与时间的变化规律,以及沥青路面裂纹形成寿命。结果表明:损伤主要分布在沥青面层;随着温变次数的增加,面层表面的损伤度呈线性增加;面层表面损伤度均随着面层模量与温变幅度的增加而增加;面层表面水平拉应力随着温度变化次数的增加,以线性特征逐步减小;面层表面水平拉应力随着面层模量与温变幅度的增加均是先增大后减小,有一个峰值点;沥青路面面层的温度型裂纹疲劳形成寿命与面层模量有关,模量越大,裂纹形成疲劳寿命越短,因此从温度疲劳寿命的角度来说,面层不宜选择模量过大的沥青混合料。     

原始组织对ER9车轮钢滚动接触疲劳性能的影响

利用双盘滚动接触疲劳试验机对原始组织分别为片状珠光体+先共析铁素体(P+PF)和回火索氏体(TS)的ER9车轮钢试样进行滚动接触疲劳试验,并对结果进行了分析。结果表明:在油润滑条件下,原始P+PF试样的滚动接触疲劳寿命是TS试样的2.8倍.?其原因是原始的P+PF的试样表面存在厚约1?μm的机加工细晶层,而TS试样无明显细晶层,在疲劳过程中,P+PF试样会优先在细晶层内萌生浅层裂纹并平行于表面扩展形成浅层剥落,而后在细晶层剥落的区域萌生疲劳裂纹,而TS试样则直接在试样表面萌生疲劳裂纹.?经过1×105周次在空气中的预磨损后,两种不同原始组织的试样表面均被强化,滚动接触疲劳寿命均有大幅度的提升.?但由于P+PF试样预磨损过程中机加工细晶层的剥落以及产生了少量的疲劳磨损,部分疲劳磨损裂纹成为滚动接触疲劳裂纹的裂纹源,而预磨损后的TS试样的表层形成分布更为均匀的细晶层,故预磨损后的TS试样的滚动接触疲劳寿命远高于P+PF试样.      

7075铝合金扭转微动疲劳行为研究

在基于多轴疲劳试验机上自主设计的扭转微动疲劳装置上,对7075铝合金材料进行了扭转微动疲劳试验,讨论了相同法向载荷下不同扭转切应力对扭转微动疲劳寿命的影响,建立了7075铝合金扭转微动疲劳S-N曲线,并采用SEM,EDS,EPMA等分析方法对扭转微动疲劳的损伤区域进行了分析,建立了扭转微动疲劳混合区接触表面损伤和裂纹萌生及扩展的物理模型,揭示了7075铝合金扭转微动疲劳的损伤机理.试验结果表明:微动作用导致疲劳寿命大大降低;扭转微动疲劳S-N曲线呈"ε"型曲线特征;损伤区靠加载端位置氧化严重,氧化程度随着循环次数增加而增加;微动疲劳的裂纹萌生于次表面,接触区中心两侧主裂纹扩展交叉后垂直于接触表面扩展至试样断裂.     

冷喷涂试件疲劳裂纹扩展规律试验研究

冷喷涂作为一种新兴的表面处理技术,广泛应用于增材制造和零部件修复等领域。为了探究冷喷涂处理后Q355钢基体的疲劳裂纹扩展规律,对2组标准单边缺口3点弯曲试样进行了冷喷涂处理。在光滑的Q355B钢基材表面分别沉积了纯Al和A5052铝合金涂层,然后对冷喷涂试件和一组未喷涂光滑试件进行了3点弯曲疲劳试验,得到了裂纹尖端张开位移和裂纹长度、裂纹扩展速率和荷载循环次数的规律曲线并进行了对比分析。结果表明：在裂纹扩展长度相同的情况下,冷喷涂试件和未喷涂试件的裂纹尖端张开位移基本相同,且随着疲劳裂纹的延伸,裂纹尖端张开位移也随之快速增大;在一定的裂纹尖端张开位移范围内,冷喷涂处理可以降低疲劳裂纹扩展速率;采用裂纹尖端张开位移作为疲劳裂纹扩展控制参数对冷喷涂试件的疲劳裂纹扩展规律进行判定是准确的,且裂纹尖端张开位移通过试验容易获得,简单方便,可以同时满足裂纹尖端弹性和塑性的情况。     

残余奥氏体的抗接触疲劳及擦伤行为的研究

试验结果表明,随着镍铬渗碳钢次表面层残余奥氏体含量增加,材料耐疲劳能力也提高。考察了残余奥氏体对镍络渗碳钢抗擦伤能力的影响,结果表明,残余奥氏体对抗擦伤能力无不利影响。此外,由表面形貌测试可知,经过跑合,对磨面光洁度有显著提高。 显微观察说明,本工作中擦伤的主要形式是层片脱落。擦伤后,试样次表层出现白层组织,在一定深度的亚表层还观察到白层组织基体上的黑色条纹。该黑色条纹的分布反映了塑性变形及微观温度分布不均匀性的特征。     

两种水基摩擦改性剂对轮轨黏着和损伤性能的影响

利用MJP-30A滚动磨损与接触疲劳试验机研究了两种水基摩擦改性剂(分别记为FM1和FM2)的最佳涂敷量,分析了FM1和FM2在最佳涂敷量下对轮轨磨损和损伤的影响. 结果表明:FM1和FM2单次的最佳涂敷量分别为14和8 μl. FM1介质下轮轨试样的磨损率明显降低,仅为干态下的23%和41%;FM2介质下车轮试样的磨损率略高于干态下,钢轨试样的磨损率为干态下的64%. 干态和FM2介质下轮轨试样表面出现起皮、剥落及明显的疲劳裂纹,试样剖面出现多层裂纹、支裂纹和次表层裂纹;FM1介质下轮轨试样损伤轻微,试样表面出现轻微起皮和点蚀,试样剖面出现少量的单层微裂纹,FM1可有效减缓轮轨的磨损与损伤.      

Cr4Mo4V轴承钢滚动接触疲劳和磨损性能研究

通过球棒滚动接触疲劳(RCF)试验机,研究了Cr4Mo4V轴承钢在4050润滑油润滑和0.18滑滚比条件下的滚动接触疲劳和磨损性能.结果表明:Cr4Mo4V钢的应力-寿命(S-N)曲线数据分散性较大,疲劳寿命随着应力增加呈下降趋势.Cr4Mo4V钢滚动接触磨损主要为磨料磨损,黏着磨损和疲劳磨损,随着应力和时间增加磨损体积增加,滚道凹槽深度达到17μm.通过光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)观察试样棒剖面与滚道交界处疲劳裂纹,发现疲劳破坏类型主要有两种:起源于表面的剥落(SOF)和起源于白蚀区的剥落(WSF).通过滚道径向切割抛光酸蚀显示Cr4Mo4V钢滚动接触疲劳影响区,随着应力和循环接触次数的增加,在次表层依次发现黑蚀区(DER)、白蚀区(WEA)和蝴蝶组织(BW).表面碳化物的剥落坑,黏着磨损和疲劳磨损的凹坑导致了表面起裂、白蚀区和蝴蝶组织中的碳化物和夹杂导致微裂纹的产生,链状碳化物使裂纹往深处扩展.     

马氏体钢表面磁控溅射类金刚石薄膜滚动接触疲劳失效机理

采用磁控溅射技术在马氏体钢基体表面制备类金刚石(DLC)薄膜,应用扫描电镜、Raman光谱仪和划痕测试仪等对薄膜进行表征. 基于对失效表面及截面微观特征的详细分析,研究了DLC薄膜在接触疲劳载荷下的失效特征和机理. 结果表明:DLC薄膜试样的滚动接触疲劳(RCF)寿命比基体的寿命显著提高,且薄膜磨损后试样的剩余寿命仍比原基体寿命长. 薄膜厚度3 μm,处于接触最大应力分布的15 μm范围内. DLC薄膜是从基体表面粗糙峰处产生微裂纹进而导致薄膜剥落,基体材料裸露,最终试样失效.      

拉压循环载荷下正交异性钢桥面板肋-面板焊缝裂纹扩展分析

采用四步法计算了考虑循环载荷中压应力影响的正交异性钢桥面板的肋-面板焊缝表面裂纹扩展。第一步是基于正交异性钢桥面板的疲劳分析模型,计算肋-面板焊缝处的应力,第二步是通过肋-面板焊缝的三维局部模型,用Schwartz-Neumann交替法计算焊缝表面裂纹的应力强度因子分布,第三步是用二维断裂力学模型和增量塑性损伤模型,计算循环载荷中的压应力对裂纹扩展的影响,第四步是用第二步中的三维裂纹分析结果和第三步中的二维断裂力学模型得到的裂纹扩展公式,计算钢桥面板的肋-面板焊缝表面裂纹扩展。计算结果表明,对应于正交异性钢桥面板肋-面板焊缝处的循环应力,本文所用模型的裂纹尖端反向塑性区导致裂纹扩展率增加50%以上。研究结果为正交异性钢桥面板肋-面板焊缝裂纹的疲劳寿命分析提供了研究基础。