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...     

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.      

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.     

曲率半径对车轮滚动接触疲劳性能的影响

滚动接触疲劳和磨损是铁路轮轨损伤的主要问题.本文中应用赫兹接触理论,在JD-1型轮轨模拟试验机上,通过改变试验冲角,研究了干态工况下曲率半径对车轮钢滚动接触疲劳性能的影响,并用光学显微镜和扫描电子显微镜观察车轮试样剖面与磨痕表面交界处的疲劳裂纹,分析不同曲率半径条件下车轮的滚动接触疲劳机理.结果表明:由于加工硬化的作用试验后所有试样的硬度均有提高;随着曲率半径的减小,车轮钢的磨损量增大,塑性流变层增厚且不均匀,车轮试样疲劳裂纹扩展加剧;裂纹在交变应力作用下容易继续向下扩展,从而形成严重的疲劳破坏.     

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.     

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．     

40Cr钢疲劳裂纹萌生寿命的测量

用系统分析的方法，通过三点弯曲疲劳试验，分别跟踪监测了40Cr钢及它的两种表面处理试样疲劳损伤过程，得出了40Cr钢经过两种表面处理对其疲劳裂纹萌生寿命有显著影响的结果，提出了对疲劳裂纹萌生寿命测量的一种新方法。     

服役后API 5L X56钢腐蚀疲劳裂纹扩展速率试验研究

为研究服役后X56双层海底管道钢的疲劳裂纹扩展速率,对外层管上截取的标准紧凑拉伸试样分别在空气和海水环境下进行不同最大疲劳载荷(P_max=9 kN,10 kN,12 kN)的疲劳裂纹扩展试验。与空气环境中CT试样的疲劳裂纹扩展速率相比,裂纹生长至15.38 mm时,9、10、12 kN载荷下海水环境中CT试样的疲劳裂纹扩展速率分别提高了1.82倍、1.54倍、1.43倍;随着裂纹扩展长度增大,外界载荷起主导作用,海水腐蚀的影响越来越小。综合分析最大疲劳载荷对疲劳裂纹扩展的影响,结果发现相同裂纹长度的前提下,疲劳载荷增加,应力强度因子幅值(ΔK)和疲劳裂纹扩展速率(da/dN)增加,海水腐蚀影响逐渐减小。疲劳裂纹扩展试验中所施加的最大疲劳载荷对CT试样的疲劳寿命具有较大影响,对Paris常数的影响较小。扫描电镜下CT试样的疲劳断口均为穿晶型断裂。海水环境中CT试样的疲劳断口表现出更多的二次裂纹和更高的撕裂脊。随着最大疲劳载荷增加,解理断裂形成的解理台阶晶面面积和高度差逐渐增大,疲劳断口越粗糙,解理特征越明显。     

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.     

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。     

超声冲击对铝合金搅拌摩擦焊接头超高周疲劳性能的影响

本文通过超声疲劳试验方法研究了超声冲击处理对两种铝合金(AA6061和AA7075)搅拌摩擦焊接头超高周疲劳行为(107~109周次)的影响。利用微观组织、显微硬度以及X射线衍等方法对表面处理技术对试样表层材料的作用进行了表征。结果显示,超声冲击处理可以在接头表面形成强化层,使疲劳裂纹源由试样表面转移至内部。对铝合金AA6061,接头处理前后疲劳强度差异不大,但可明显提高AA7075接头的疲劳寿命。最后,对疲劳裂纹萌生的特点和表面强化层以及残余应力对疲劳强度的作用机制进行了分析。     

一种用于金属薄板轴向拉压疲劳试验的防弯夹具

在金属薄板的轴向疲劳S-N曲线测试中,研究将一种侧向防弯曲夹具应用于存在压向载荷的试验。通过粘贴应变片方法测量试样的表面应力,对试样的受力情况做了定量的分析。测量结果表明试样安装防弯曲夹具后,基本消除了由压缩失稳产生的弯曲应力。且通过对不同拧紧方式的测量,表明一定的夹紧力下不对试验力产生影响。试验夹具设计成对试样中心轴线的支撑而让边缘疲劳敏感部位处在非接触状态,试样断口表明疲劳起源在这些并没有与试样接解的部位。用钛和铝两种材料的薄板在不同试验机上进行了不同寿命和频率的试验,试验结果与正应力比试验同时给出以对比,各种研究表明本试验有效解决了薄板疲劳受压时的失稳问题。     

裂纹尖端张开角准则的稳态裂纹扩展实验研究

ASTM和ISO已发布获得低约束条件下断裂性能和裂纹稳态扩展阻力曲线的标准,标准中采用多种试验方法确定临界裂纹张开角度来表征板材的裂纹稳态扩展。本文采用准静态裂纹扩展试验方法,通过摄像技术测定裂纹尖端张开角(CTOA),验证标准对1mm厚度2024-T3铝合金板稳态裂纹扩展行为的有效性。研究了试样构型、裂纹尺寸和是否疲劳预制裂纹对裂纹稳态扩展过程中CTOA的影响。试验结果表明:裂纹扩展2mm后,距离裂纹尖端1mm处的CTOA趋于一个恒定值6°,这个值与试样构型和裂纹长度无关;同时,不预制疲劳裂纹对CTOA值和试样的最大剩余强度影响较小。     

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.     

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．     

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。     

基于临界面法的剪切式多轴疲劳寿命预测模型

基于临界平面原理,应用von-Mises准则提出一种能够同时适用于比例与非比例加载的剪切式多轴疲劳损伤参量.新的损伤参量,通过引入一个应力相关因子来考虑临界面上最大剪应变范围和正应变范围对多轴疲劳损伤贡献的不同,同时该因子还考虑了非比例附加强化对材料多轴疲劳寿命的影响.该参量不含有经验常数,便于工程应用.经1045HR钢,S45C钢,Inconel718钢,16MnR钢等四种材料的多轴疲劳试验验证,预测结果与试验结果吻合较好.     

两种典型高熵合金冲击释能及毁伤特性研究

为研究FeNiMoW和FeNiCoCr两种典型高熵合金材料的冲击释能规律, 利用Φ14.5 mm弹道枪发射装置和准密闭试验容器系统开展了两种典型高熵合金破片在不同速度下冲击释能效应试验. 进一步, 利用该试验平台开展两种高熵合金破片侵彻多层目标的毁伤特性研究. 通过改变准密闭试验容器前置钢靶厚度, 研究了两种高熵合金破片对后续多层靶板的侵彻毁伤规律. 研究发现: FeNiMoW和FeNiCoCr高熵合金破片分别在1356 m/s和1217 m/s出现能量释放现象. 低于该撞击速度未发生化学反应. 撞击速度对两种高熵合金破片释能有显著的影响, 随着速度的增加, 两种高熵合金破片冲击释能反应加剧, 超压峰值上升加快. 在1600 m/s左右的撞击速度下, 随着试验容器前置钢靶厚度从1 mm增加至5 mm, FeNiMoW破片超压峰值整体上呈上升趋势, FeNiCoCr破片超压峰值呈下降趋势. 在两种高熵合金破片侵彻多层靶标过程中, 其释能反应程度的降低对破片穿孔能力的增强有一定贡献, 而容器前置钢靶厚度的进一步增大将降低破片对后续多层铝靶的穿孔毁伤能力. 另一方面, 随着前置钢靶厚度的增大, 破片对第一层铝靶的毁伤面积先增大后减小.      

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。     

基于振动的钛合金膜盘材料疲劳性能试验研究

介绍了一种钛合金膜盘材料疲劳性能的试验研究,建立了闭环控制下的振动疲劳试验系统,完成了对该膜盘10°角切片试样在振动条件下的疲劳试验,给出了该试样的疲劳应力-寿命曲线以及疲劳极限值,最后分析了切片试样振动疲劳的主要失效模式。结果表明:本试验方法高效可靠,时间和材料成本低,所得振动疲劳性能参数与旋转弯曲疲劳性能参数接近,而断口表现出典型的单侧起源的疲劳扩展特征。