双相钛合金Ti‑6Al‑4V微观缺陷疲劳演化的片层结构分布效应

本文研究疲劳载荷作用下双相钛合金Ti-6Al-4V中片层结构对微观几何缺陷区域演化的影响．基于晶体塑 性有限元(Crystal Plasticity Finite Element, CPFE)理论,建立含微观椭圆缺陷的双相片层代表性体积单元 (Representative Volume Element, RVE)模型,通过调控缺陷附近的微观组织形貌,使缺陷两端分别出现单相结构和 片层结构,以突出双态合金中片层结构分布对微观缺陷演化的影响．模拟结果表明,位于微观缺陷两侧的晶粒, 片层结构的应变敏感性更大,应变沿缺口环向和沿晶内均呈不连贯波动．片层结构通过调节晶内应变,扩大承载 范围,可提高双相钛合金的抗疲劳特性．这一研究结果可为双相钛合金的疲劳裂纹萌生提供一个新的解释途径     

金属材料疲劳损伤的宏细观理论

工程结构的疲劳损伤发展过程经历了由初始缺陷的形成、裂纹的稳态扩展直到最后失效的不同发展阶段,通常疲劳损伤的演化可以概括为以下几个阶段:(1) 亚结构和微观结构的变化引起永久损伤的形成,产生微观裂纹;(2) 微观缺陷的长大会合形成主裂纹;(3) 主裂纹稳态扩展;(4) 结构失稳或完全失效.首先论述了疲劳裂纹扩展的物理机制,并从细观和宏观两个方面总结了处理疲劳裂纹问题的最新研究成果,对位错力学在处理短裂纹扩展问题中的应用,以及无位错区(DFZ)在疲劳裂纹扩展中的作用进行了较详细讨论.      

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．     

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°.     

一种经验型疲劳小裂纹扩展模型

金属材料疲劳寿命由裂纹萌生和裂纹扩展寿命两部分组成，其中对于萌生寿命中的小裂纹分析是精确描述裂纹萌生寿命的关键．而小裂纹在扩展过程中由于尺寸相对较小，导致传统线弹性断裂力学预测方法失效，需要对其进行改进，考虑裂纹尖端塑性区引起的残余压应力对小裂纹扩展速度的影响．本文针对此问题进行了初步分析，通过对塑性区引起的残余应力的量化，结合小裂纹门槛值特性，提出了一种经验型修正的小裂纹扩展模型，用于定量预测裂纹的萌生寿命．使用铝合金6082-T6缺口试样进行了疲劳实验，并与理论结果进行了对比，验证了所提模型的有效性．     

高速列车铁基烧结闸片材料的摩擦磨损性能研究

采用粉末冶金工艺,通过对材料组成和工艺等的实验研究,获得了一种铁基烧结闸片材料,对材料的物理机械性能、摩擦磨损性能和微观组织结构等进行了分析测试,探讨了烧结摩擦材料的摩擦磨损机理以及材料微观组织结构与摩擦磨损性能之间的关系。结果表明：该材料摩擦系数较高（0．31）,磨损率低（0．022mm/次）,摩擦稳定性优良;同时具有良好的物理机械性能,是一种潜在的高速列车制动闸片材料。烧结摩擦材料的摩擦机理归于啮合和粘着,而磨损机理归于磨粒磨损和疲劳裂纹萌生及扩展。     

斜齿轮疲劳裂纹萌生及扩展过程全寿命研究

文章以斜齿轮为研究对象,综合考虑混合润滑状态下摩擦动力学特性对齿面应力分布的影响以及渗碳表层硬度梯度和残余应力的非均匀分布特征,以风险疲劳累积理论为基础建立了疲劳裂纹萌生寿命预估模型;考虑裂纹在晶粒内部的非线性扩展规律以及晶界处的非连续扩展特征,建立了短裂纹扩展模型;针对长裂纹扩展过程中不同阶段扩展速率的差异,建立了长裂纹扩展速率统一方程,从而完成了对齿轮接触区疲劳裂纹萌生及扩展过程全寿命的预估.计算结果表明:齿面应力分布受动载荷和润滑状态的影响显著;在残余应力作用下,有效剪切应力在渗碳表层出现多个波峰,疲劳裂纹萌生位置多点化,导致裂纹尺度有所不同,疲劳寿命存在差异,失效形式多样化.     

中碳结构钢微动疲劳性能的研究

考察了ＪＺ钢微动疲劳性能以及微动频率和接触压力等因素对微动疲劳寿命的影响,采用宏观力学试验与微观分析结合的方法探讨了ＪＺ钢微动疲劳裂纹的萌生和扩展机制．     

铝锂合金微裂纹—短裂纹生工过程的实验观察

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一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在于晶粒间，具有一定的物理和力学性质，对微裂纹扩展速     

不均匀组织ER8车轮滚动接触疲劳性能研究

针对含不均匀组织ER8车轮服役过程中过早出现滚动接触疲劳(RCF)损伤这一实际问题,通过RCF试验,获得了车轮不均匀组织和正常组织的RCF极限;利用光学显微镜(OM)和透射电镜(TEM)重点表征了RCF裂纹萌生处的微观组织. 借助扫描电镜(SEM)和原位拉伸试验台测试了两种组织的弹、塑性能并原位观察了裂纹的扩展行为. 结果表明:车轮踏面不均匀组织的RCF极限低于轮辋正常组织,不均匀组织中除车轮正常组织应有的珠光体和先共析铁素体组织外,还存在大量的上贝氏体,上贝氏体的存在破坏了车轮正常组织的连续均匀性. RCF裂纹的萌生和扩展主要发生在上贝和正常组织的边界处,上贝氏体的硬度、弹性高于正常组织,但塑性小于正常组织,在相同接触应力作用下,两者弹-塑性变形的不协调是导致其组织边界处产生应力集中,进而诱发并促进疲劳裂纹的萌生和扩展,加速车轮RCF损伤出现的主要原因.      

金属材料疲劳裂纹扩展机制及模型的研究进展

裂纹萌生、扩展和断裂行为及其与材料本身和外部因素的关联一直是工程与科学界的重要研究课题。本文总结了影响疲劳裂纹扩展的多种因素，综述了高周疲劳裂纹扩展的唯象模型和理论模型，以及低周和超高周疲劳裂纹扩展模型的新进展(包括基于能量的和考虑概率的)。综合前述模型优缺点，提出了一种基于单轴拉伸性能的新型疲劳裂纹扩展模型(iLAPS)。分析表明，新模型iLAPS与多种常用材料的疲劳裂纹扩展试验数据吻合较好，并且能够准确地给出不同应力比下的裂纹扩展速率曲线。最后，对先进材料抗疲劳开裂性能的高通量表征及运维技术进行了展望。     

狭长缺口根部萌生的小裂纹扩展分析

根据伴随着小裂纹延展过程中不同力学参数相互作用的分析研究基础之上,我们就疲劳小裂纹的扩展特性进行了分析,根据不扩展裂纹性质对小裂纹的长度范围进行了讨论,探讨了狭长缺口根部萌生的小裂纹扩展速率, 并研究了不扩展裂纹形成机理,推演出不扩展裂纹长度计算方法,发展出一种预测小裂纹扩展行为的方法,借助这种方法可以实现裂纹萌生寿命的预测,与疲劳设计相结合可以进一步提高构件安全性与可靠性．不扩展小裂纹的长度可以通过计算定量得到,它与材料的疲劳极限、裂纹门槛值及缺口尺寸等参数紧密相关．以理论数据为依据,可以设计出针对一定材料及尺寸的试样,使其在一定荷载条件下不扩展裂纹长度达到宏观可观测的范围,进而降低小裂纹测量方面的技术难度,进一步验证不扩张裂纹形成机理．     

车轮材料特性对轮轨磨损与疲劳性能影响的研究

在MMS-2A滚动摩擦磨损试验机上进行不同材料车轮与U75V热轧钢轨的匹配试验,研究材料特性对轮轨试样磨损与疲劳性能的影响.结果表明:随着车轮碳含量增加,组织中珠光体比例增加,珠光体中渗碳体片层间距减小,硬度增大;随着轮/轨硬度比增大,车轮表层的塑性变形层厚度逐渐减小,对摩副钢轨塑性变形层厚度呈现先增大后减小的趋势;车轮试样磨损形式由小剥离掉块向大剥离掉块转变,钢轨磨损机制由材料表层的轻微剥落向深层剥落磨损转变;提升车轮的硬度,轮轨表面的疲劳裂纹长度减小;且随着车轮硬度的增大,钢轨表面萌生的疲劳裂纹的末端扩展角度有增大的趋势,使钢轨的疲劳裂纹更容易向材料心部扩展.     

焊接金属疲劳裂纹萌生寿命估算方法的研究

疲劳裂纹萌生阶段在整个疲劳破坏过程中占有极为重要的地位，而萌生阶段的裂纹体损伤规律用长裂纹断裂力学方法是无法确定的．以萌生阶段中塑性滞回能作为控制参量，根据实验数据拟合出疲劳损伤的连续曲线，得到裂纹萌生寿命估算公式．     

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.     

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。     

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。     

过载作用下聚乙烯疲劳裂纹扩展行为研究

论文针对中密度聚乙烯材料(MDPE)，采用平板试样进行了I型疲劳裂纹扩展和单次过载下裂纹扩展试验．发现与金属材料类似，单次拉伸过载对聚乙烯(PE)的疲劳裂纹扩展有明显的迟滞作用，降低了裂纹扩展速率．试验还通过变载荷刻线法获取疲劳裂纹扩展前缘的实际形貌和变化规律，对常规变载荷刻线方法进行了调整和验证，其修正方法对高分子材料的疲劳裂纹扩展前缘刻线具有较好的效果．通过观察发现含楔形塑性区的裂尖钝化是裂纹迟滞的主要原因．过载引入的塑性区内残余应力对裂纹迟滞也起了重要作用．论文利用Dugdale模型计算了塑性区尺寸，使用基于残余应力的Wheeler模型对过载迟滞进行了很好的拟合．     

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.      

TC21钛合金显微组织对超长寿命疲劳行为的影响

本文主要研究钛合金的网篮尺寸对于超声疲劳行为的影响。研究发现,对于TC21钛合金,高应力下疲劳裂纹萌生于试样表面;低应力下疲劳裂纹萌生于试样亚表面。最大应力-循环次数(S-N)曲线显示,在两段连续下降的曲线之间有一个表面萌生向内部萌生的转变平台。对于网篮尺寸为60μm的钛合金,转变平台对应的应力幅为540MPa,疲劳极限为430MPa。网篮尺寸为40μm的转变平台应力幅为600MPa,疲劳极限为530MPa。分析得知网篮尺寸为60μm的TC21钛合金疲劳性能低于网篮尺寸为40μm的TC21钛合金。