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。     

用升降法求95连杆疲劳极限的探讨

为了较精确地求出95连杆的疲劳极限,本文将在材料疲劳试验中应用较广的升降法推广应用于连杆,给出了用升降法求构件疲劳极限的基本过程。文中首先选取了试验的控制因素并确定了连杆的控制点(应力被选定为控制应力的点定义为控制点)。然后在四级应力水平下进行了连杆的疲劳试验,并以最大应力幅点的应力为计算应力求出了连杆的疲劳极限。     

考虑孔洞影响的铸造镁合金ZM6疲劳寿命预估方法

铸造镁合金ZM6是一种应用于直升机减速器机匣制造的典型材料。然而,在铸造过程中产生的内部缺陷对材料的疲劳性能有显著影响。本文研究了含内部孔洞缺陷ZM6材料的疲劳损伤模型和寿命预估方法。首先,采用X射线断层扫描技术,对三个批次毛坯料制成的试验件进行扫描观察,获得了试验件内部孔洞的分布特征。进而,对48件试验件进行了两种应力比下多级应力水平的疲劳试验,获得了各批次试验件寿命结果,并通过观察与分析,得出了孔隙率和近表面较大孔洞为影响试验件疲劳寿命的两个关键因素。然后,基于损伤力学理论提出了通过材料初始弹性模量和等效孔洞局部应力应变场来分别反映孔隙率和近表面较大孔洞影响的疲劳损伤模型和寿命计算方法,并结合ABAQUS软件平台实现了含孔洞试验件的疲劳损伤计算和寿命计算。最后,采用所提理论模型和计算方法给出了试验件的疲劳寿命预测结果,并与试验结果进行了不同维度的对比,验证了所提模型与方法的有效性和适用性。     

基于Hopkinson杆的恒幅冲击疲劳试验方法研究

在航空、航天、武器和能源等领域的结构件经常会受到小载荷(小能量)的重复冲击,不同于大能量的单次冲断和常规准静态疲劳,这种载荷形式被称为冲击疲劳.冲击疲劳性能的评估需要依赖科学有效的冲击疲劳试验结果.多年来,受到基于能量法的冲击疲劳试验方法的限制,冲击疲劳试验结果在结构设计和性能评估方面的工业应用十分有限.因此,本文首先基于对冲击疲劳试验方法的发展历程的简要回顾,肯定了基于Hopkinson杆原理的应力波法的优越性,明确了冲击疲劳试验中普遍存在的非恒幅加载的问题.同时,提出了几种基于Hopkinson杆原理的冲击疲劳加载技术,并通过试验验证技术的可行性,重点关注是否存在二次加载引起的非恒幅加载问题.最后,采用经典的分离式Hopkinson压杆技术开发了一套可实现恒幅加载的动态剪切疲劳试验方法,实现了对TC4钛合金的冲击疲劳性能测试,从而验证了新方法的有效性和可行性.     

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。     

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为降低用来确定疲劳极限的升降法试验的工作量，以热力学为基础，引入损伤驱动力，构建 损伤演化方程. 积分此方程得到疲劳寿命与应力或应变的理论关系. 对光滑试件，根据成组 法疲劳试验结果利用最小二乘法拟合包括疲劳极限在内的材质参数. 利用损伤力学方法求得 高应力区的疲劳寿命曲线，由此递推得到低应力区寿命值和疲劳极限. 所得理论疲劳极限值 与升降法疲劳试验结果十分吻合. 节约了疲劳试验的机时、费用与人力.     

测定薄板疲劳裂纹扩展门槛值的升降法

测定疲劳裂纹扩展门槛值传统方法的整个过程只测出裂纹扩展门槛值的一个观测值,而由于材料不均匀等客观因素的限制,传统试验法的结果具有一定的随机性.本文利用升降法的原理,提出一种测定疲劳裂纹扩展门槛值的升降法:预制裂纹并逐级降载使裂纹扩展速率接近门槛值速率,设定应力强度因子的级差,按照设定级差逐级降载,直至裂纹扩展速率低于门槛值速率,然后开始升载,直至裂纹扩展速率高于门槛值速率,再开始降载,如此重复进行即可以在疲劳裂纹扩展门槛值附近测得多对相反的数据点.运用小子样升降法数据处理方法,就可得到疲劳裂纹扩展门槛值的均值和方差.最后通过某型铝合金薄板疲劳裂纹扩展门槛值的测定试验验证了此方法的可行性.     

缺口件多轴疲劳寿命预估新方法

局部应力应变法(LSSM)以危险点处的局部应力应变历程进行寿命评价,忽略了非比例附加强化及缺口附近应力梯度对疲劳损伤的影响.论文通过分析裂纹萌生面(临界面)上剪应力和正应力分布状态,提出一种计算缺口件多轴疲劳损伤影响区的数学计算方法,建立考虑法向正/剪应力梯度与非比例附加强化效应的寿命预估模型.首先,基于能量法和临界面理论,借助坐标变换原理将应变能密度最大的材料平面定义为临界面,建立确定裂纹萌生方向的计算方法.其次,以临界面上特定路径为积分方向,将缺口件三维问题转化为线性问题,简化计算过程.综合考虑峰值应力和等效应力场强对多轴疲劳寿命的贡献度,建立表征缺口件多轴疲劳损伤演化过程的损伤参量.最后,通过TC4合金和Q345钢多轴疲劳试验验证论文模型的可行性和精确度,并与LSSM法、FS模型、SWT模型进行对比分析.     

考虑平均应力的同频拉扭多轴高周疲劳寿命评价方法

目前基于临界平面理论的高周疲劳寿命预测模型, 大都充分考虑了法向平均应力对材料疲劳寿命的影响, 但是没有有效反映剪切平均应力对疲劳寿命的影响. 通过分析7075-T651铝合金的试验数据发现, 与法向拉平均应力类似, 剪切平均应力同样对材料的疲劳寿命产生不利影响. 因此, 如果寿命预测模型中忽略剪切平均应力的影响, 存在明显剪切平均应力加载工况下, 预测寿命可能偏于危险. 由此, 本文定义具有较大法向应力的最大剪应力范围平面为临界平面, 建立了一个能够同时反映法向和剪切平均应力影响的高周疲劳寿命预测模型, 并给出了模型中材料常数的确定方法. 新模型首先将基于应变的Fatemi-Socie准则, 推广到材料的高周疲劳寿命预测, 给出了Fatemi-Socie准则的应力表述形式. 然后, 引入剪切和法向Walker因子, 反映剪切和法向平均应力对材料疲劳寿命的影响. 剪切和法向Walker因子的取值都介于0和1之间, 不同取值反映了材料对剪切和法向平均应力敏感程度的不同. 新模型适用于范围内的金属塑性材料. 利用5种材料在12种存在平均应力加载工况下的试验数据, 对所建模型进行了试验验证, 结果表明预测结果与试验结果吻合良好, 绝大多数寿命预测结果分布在3倍误差带以内.      

A MULTIAXIAL HIGH CYCLE FATIGUE LIFE PREDICTION MODEL CONSIDERING THE EFFECT OF MEAN STRESS FOR TENSION-TORSION LOADINGS WITH SAME FREQUENCY 1)

目前基于临界平面理论的高周疲劳寿命预测模型, 大都充分考虑了法向平均应力对材料疲劳寿命的影响, 但是没有有效反映剪切平均应力对疲劳寿命的影响. 通过分析7075-T651铝合金的试验数据发现, 与法向拉平均应力类似, 剪切平均应力同样对材料的疲劳寿命产生不利影响. 因此, 如果寿命预测模型中忽略剪切平均应力的影响, 存在明显剪切平均应力加载工况下, 预测寿命可能偏于危险. 由此, 本文定义具有较大法向应力的最大剪应力范围平面为临界平面, 建立了一个能够同时反映法向和剪切平均应力影响的高周疲劳寿命预测模型, 并给出了模型中材料常数的确定方法. 新模型首先将基于应变的Fatemi-Socie准则, 推广到材料的高周疲劳寿命预测, 给出了Fatemi-Socie准则的应力表述形式. 然后, 引入剪切和法向Walker因子, 反映剪切和法向平均应力对材料疲劳寿命的影响. 剪切和法向Walker因子的取值都介于0和1之间, 不同取值反映了材料对剪切和法向平均应力敏感程度的不同. 新模型适用于范围内的金属塑性材料. 利用5种材料在12种存在平均应力加载工况下的试验数据, 对所建模型进行了试验验证, 结果表明预测结果与试验结果吻合良好, 绝大多数寿命预测结果分布在3倍误差带以内.     

FATIGUE LIFE PREDICTION OF SUS 630 （H900） STEEL UNDER HIGH CYCLE LOADING

The fatigue life prediction of high strength steel SUS 630 （H900） under high cycle loading is conducted with consideration of a characteristic fatigue length of material. Based on the WShler curve of smooth materials, a modified method for fatigue life prediction is approached. The characteristic fatigue length of material under cyclic loading is associated with the polycrystalline material. Rather than the stress at a point, the average stress within the characteristic fatigue length is implemented for the fatigue life prediction. The method can be applied to both the smooth and the defected material. The fatigue life prediction is also verified experimentally by specimens with various small circular holes. Through the comparison, it is found that the method can be adopted to predict the fatigue lives with different size effects.     

缺口件疲劳寿命分布预测的有效应力法

本文提出了一种由光滑件疲劳寿命试验数据预测缺口件疲劳寿命分布的有效应力法。该方法中缺口件的裂纹可能萌生表面被分解成一个个微元,整个表面可看成是这些微元组成的一个串联模型,按照串联概率失效模型,缺口件的疲劳强度失效概率就可以由各微元的疲劳强度失效概率计算得到,其中微元的疲劳强度失效概率是由光滑件的疲劳强度失效概率通过最弱环节理论计算得到的。在缺口件的疲劳强度失效概率表达式中,引入了有效应力的概念,用它查取光滑件的疲劳寿命试验数据就可以直接得到缺口件的疲劳寿命分布。该方法可以同时考虑到应力梯度和试件尺寸对缺口件疲劳寿命分布的影响。进行了材料LY12CZ的带中心孔缺口件的寿命算例分析,预测结果和试验结果吻合良好,表明该方法是有效的。     

A Maximum Likelihood Method for Estimating Probabilistic Strain Amplitude-Fatigue Life Curves

The fatigue lives of materials and structures at different strain levels show heteroscedasticity. In addition, when the number of test specimens is insufficient, the fatigue strength coefficient and fatigue ductility coefficient of the fitting parameters in the total strain life equation may not have definite physical significance. In this work, a maximum likelihood method for estimating probabilistic strain amplitude-fatigue life curves is presented based on the fatigue lives at different strain levels. The proposed method is based on the general basic assumption that the logarithm of fatigue life at an arbitrary strain level is normally distributed. The relationship among the parameters of total strain life equation, monotonic ultimate tensile stress and percentage reduction of area is adopted. The presented approach is finally illustrated by two applications. It is shown that probabilistic strain amplitude-fatigue life curves can be easily estimated based on the maximum likelihood method. The results show that fatigue lives at different strain levels have heteroscedasticity and the values of fatigue strength coefficient and fatigue ductility coefficient obtained by the proposed method are close to those of the true tensile fracture stress and true tensile fracture strain.     

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。     

航空薄壁弧形结构件喷丸强化变形预测

喷丸强化是一种有效提高工件抗疲劳性能的表面处理工艺,经喷丸强化处理后的航空薄壁弧形结构件发生变形是航空制造领域的共性难题．本文基于变截面曲梁平面弯曲理论,建立了弧形件喷丸诱导应力与变形方程,将得到的构件最大变形与有限元方法计算结果进行对比,所建立理论模型能有效预测弧形件喷丸强化后的变形．讨论了喷丸压力和喷丸区域对喷丸变形的影响,结果表明：喷丸强化工艺仅作用于弧形件腹板表面时,弧形件变形以径向收缩为主;喷丸强化工艺仅作用于弧形件筋板表面时,弧形件变形以径向扩张为主;与局部喷丸相比,对弧形件所有表面喷丸强化时,弧形件弯曲变形减小,轴向伸长增大．     

一种考虑非比例附加损伤的多轴低周疲劳模型

在实际工作环境中,机械结构往往承受着多轴非比例循环载荷.相比多轴比例循环加载,多轴非比例循环加载由于产生了附加强化现象,造成机械结构疲劳寿命下降.通过分析薄壁圆筒管件在非比例加载工况下应力应变变化规律和发生破坏位置,本文基于临界面法提出一种考虑多轴非比例附加损伤的疲劳模型.该模型将最大剪切应变幅平面作为临界面,提出一个新的附加强化因子,结合临界面上切应变幅和正应变幅组成新的多轴疲劳损伤参量.此参量不仅考虑了非比例加载下临界面上正应变幅和切应变幅对材料造成的疲劳损伤,还考虑到应变路径的变化和材料非比例加载敏感特性对材料疲劳寿命的影响.考虑到实际情况下模型所需材料附加强化系数有时难以获得的情况,给出了材料附加强化系数的有关近似计算公式.只需要材料基本力学参数便可得到材料附加强化系数,方便工程实际应用.采用8种材料的多轴疲劳寿命数据对提出的新模型进行检验,结果表明所提出的新模型与传统多轴疲劳模型相比预测寿命精度更高.      

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．     

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。