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.     

常幅、程序和随机三种不同载荷下的平台用钢的表面裂纹扩展规律及比较

本文使用导管架平台所用的材料 A537研究表面裂纹在常幅、程序和随机三种不同载荷下的疲劳裂纹扩展规律、以及对它们的影响,并把它们的寿命进行比较,找出裂纹形状变化的规律,探索把常幅加载疲劳裂纹扩展数据用于平台疲劳寿命估算的可能性.     

常幅、程序和随机三种不同载荷下的平台用钢的表面裂纹扩展规律及比较

本文使用导管架平台所用的材料 A537研究表面裂纹在常幅、程序和随机三种不同载荷下的疲劳裂纹扩展规律、以及对它们的影响,并把它们的寿命进行比较,找出裂纹形状变化的规律,探索把常幅加载疲劳裂纹扩展数据用于平台疲劳寿命估算的可能性.     

表面裂纹疲劳扩展的数值模拟(Ⅱ)

根据Paris疲劳裂纹扩展规律,对拉伸和纯弯曲疲劳载荷下表面裂纹扩展进行了数值模拟。数值模型中,用三次样条函数曲线拟合裂纹尖端,在裂纹扩展增量计算中考虑了裂纹闭合影响。裂纹形状演化的模拟结果与Newman和Raju经验公式预测结果进行了比较,表明了所采用的数值模拟方法的实用性。研究发现,裂纹闭合对疲劳裂纹扩展过程中的裂纹形状演化以及裂纹尖端的应力强度因子(SIF)分布都有明显影响。同裂纹形状演化一样,疲劳裂纹扩展过程中裂纹尖端的SIF分布表现出明显的特征。最后,建议了一个简单函数来统一描述表面裂纹尖端的SIF分布。     

表面裂纹疲劳扩展的数值模拟

建立了一种无形状约束的模拟表面裂纹在线弹性断裂力学条件下疲劳扩展的数值方法,并研究了表面疲劳裂纹形状演化和裂纹尖端应力强度因子(SIF)的分布特征。该方法以三维有限单元技术和Paris疲劳裂纹扩展规律为基础,并在裂纹扩展增量计算中考虑了裂纹闭合影响。本文第一部分主要介绍模拟三维疲劳裂纹扩展的数值方法的理论背景和相关的技术细节。着重分析和讨论基于三维有限单元法计算裂纹SIF所涉及的几个主要问题:裂纹尖端单元网格密度对估算精度的影响;自由表面的影响及其修正方法;裂纹尖端非正交单元网格的影响及修正方法。     

表面裂纹张开位移的研究及在压力容器与管道中的应用

本文提出一个平板和内压容器表面裂纹SCOD的简便计算方法。进行了平板及内压圆筒外壁的SCOD测定试验。计算值与实测值间偏差在±10％以内;并与文献中三维断裂力学迭代法的数值结果作了比较讨论。SCOD计算式可应用于平板或压力容器、管道中表面裂纹深度的测算,也可用于裂纹深度方向扩展速率的在役监控以及研究表面裂纹疲劳扩展中形状变化规律的新手段。文中对上述应用的试验方法作了介绍。     

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。     

残余应力对含裂纹缺陷管道疲劳寿命的影响

针对焊缝区含表面轴向裂纹管道的疲劳寿命问题,探究管道在内压波动下裂纹扩展的规律。建立了焊缝区裂纹仿真模型。采用ABAQUS有限元软件的多层生死单元技术计算了长输管道X80钢的残余应力场。将焊接残余应力场作为裂纹扩展分析的初始应力场导入裂纹仿真模型,结合该软件的扩展有限元法(XFEM)和二次开发计算了在焊接残余应力下裂纹扩展的规律。结果表明:由于焊接残余应力的影响,热影响区含裂纹缺陷的X80管道疲劳寿命明显降低,降低幅度约达40%;裂纹长度对管道的疲劳寿命影响不显著,裂纹深度对其有一定影响,而应力比影响最大,且应力比R=0.1最为显著。     

基于FE/EFG耦合方法的沥青路面裂纹扩展模拟

沥青路面裂纹在行车荷载下的裂纹扩展规律对于沥青路面的设计、维护具有重要的指导意义.通过预切口沥青混合料小梁疲劳试验,利用无网格伽辽金/有限元耦合方法,对沥青路面表面裂纹扩展进行了数值模拟,研究了面层厚度、面层模量、基层厚度、基层模量对裂纹扩展的影响规律.结果显示:随着预切口距离加载中心距离的增大,沥青混合料小梁的疲劳寿命增大,裂纹尖端的Ⅰ型应力强度因子减小,裂纹所表现出的Ⅱ型特性增 强;在沥青路面表面裂纹扩展过程中,应力强度因子经历一个急剧上升,达到一个极值后缓慢下降,然后又缓慢上升,最后急剧增加的过程;随面层、基层厚度的增加,表面裂纹尖端的应力强度因子降低;面层、基层模量对裂纹扩展路径的影响较大.     

基于多因素的焊接结构疲劳裂纹扩展速率分析

以Donahue等提出的疲劳裂纹扩展速率计算模型为基础,通过引入形状系数、张开比和残余应力等参数,建立了适用于焊接结构的疲劳裂纹扩展速率计算模型,分析了多种因素对焊接结构疲劳裂纹扩展速率的影响规律。结果表明,焊板厚度和焊缝余高的变化均会对焊接结构疲劳裂纹的扩展速率产生影响,在对焊接结构表面形状进行设计时应保有一定的焊缝余高;有效应力比的增大会降低焊接结构疲劳裂纹的扩展速率,且裂纹深度的变化不会改变有效应力比对焊接结构疲劳裂纹扩展速率的影响;残余应力的增大会提高焊接结构疲劳裂纹的扩展速率,且残余应力对疲劳裂纹扩展速率的促进作用随着裂纹深度的增加而增大,在对焊接结构的疲劳性能进行设计时须考虑残余应力对结构性能的影响。     

降载勾线法在高强钢疲劳断裂试验中的应用

制作高强钢特征试件,在压、弯应力共同作用下进行疲劳断裂试验;结合疲劳辉纹产生机理,采用降载勾线法在试件断面制造出“海滩状花纹”;利用CAD软件描绘断面形貌并测量裂纹长度,用Newman-Raju理论进一步研究表面裂纹扩展的规律,并与试验值比较.结果表明降载勾线法可以解决高强度钢表面裂纹不易测量及断面难以观测到疲劳辉纹的问题;采用Newman-Raju公式模拟压弯组合应力下表面裂纹扩展形貌是合适的,但由此计算的疲劳寿命偏于保守.另外,当压弯应力比值较小时,计算扩展形貌时压应力可以忽略,而计算疲劳寿命时压应力不可忽略.     

谱载荷下疲劳裂纹扩展随机规律的实验研究

简要介绍了谱载荷下疲劳裂纹扩展试验的理论基础、方法和过程。讨论了各种数据处理方法对参数估计的影响,研究了疲劳裂纹扩展的随机规律。由试验得到的疲劳裂纹扩展试验数据估计了裂纹扩展方程的参数,计算出结构可靠度曲线,通过对试验结果的分析难证了以下结论：以时间为参量的裂纹扩展随机过程模型和以裂纹长度为参量的模型在一定条件下是统一的;数据处理方法的选择与可靠性分析的结果有密切的联系;裂纹扩展寿命受裂纹扩展队机     

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．     

缺口试样疲劳短裂纹行为研究

采用复型方法对中碳结构钢单边钝缺口试样的非穿透和穿透疲劳短裂纹的演化过程进行了研究。结果表明：试样的疲劳破坏主要是由形成于缺口根部的表面短裂纹扩展引起的；形成穿透裂纹以前的短裂纹形成和扩展过程占试样疲劳寿命的７０％以上；线弹性断裂力学不适合于描述表面裂纹和穿透裂纹早期阶段的扩展特性；某些条件下，裂纹初始几何形状的影响是导致穿透裂纹早期扩展出现奇异特性的主要原因。     

考虑T-stress的非正态随机参数疲劳裂纹扩展寿命的可靠性分析

基于断裂力学的疲劳裂纹扩展寿命问题的研究常常将裂纹尖端应力展开项的高次项忽略,引起了裂纹扩展模拟的误差,本文考虑高次项T-stress对裂纹扩展角的影响,对裂纹扩展过程做了数值模拟,结果显示相同裂纹扩展长度下,考虑T-stress会延长裂纹扩展寿命。文章首先采用修正的Paris-Erdogan 公式计算了两端承受均布拉伸载荷的边缘斜裂纹板的疲劳裂纹扩展寿命,裂纹扩展方向采用两参数修正的最大拉应力准则。由于结构尺寸,材料特性和载荷等因素具有不确定性,导致疲劳裂纹扩展过程带有一定的随机性,本文以材料属性和载荷为随机变量,在随机有限元法的基础上,结合计算可靠度的四阶矩法,Edgeworth级数展开方法,提出随机参数服从任意分布时的结构疲劳裂纹扩展寿命可靠度的计算方法。分析了参数为非正态分布时的平板裂纹扩展寿命可靠度随裂纹扩展的变化过程。本文方法可预测工程中板裂纹的扩展行为,以及预测裂纹板的可靠度。     

拉伸载荷下表面裂纹疲劳扩展规律的试验研究

本文用LY12-R板材进行了表面裂纹疲劳扩展试验。对试验技术及数据处理中的若干同题:铝合金的勾线方法、不勾线的直读法、勾线过程中循环次数的处理、da|dN·dc|dN的计算方法等进行了研究。对拉伸疲劳下的回复现象进行了观察。研究了拉伸载荷下半椭圆表面裂纹的形状变化规律,得到了LY12-R板材的表面裂纹扩展速率并得到了经验关系式da=f(dc)。根据此经验关系式可对疲劳扩展过程中的裂纹深度进行估算,估计值与实测值符合很好。     

45CrNiMoVA钢的低周疲劳特性和表面疲劳裂纹的在位观测

利用MTS810材料试验机对带中心圆孔的45CrNiMoVA钢低周疲劳特性进行了研究,并借助长焦显微镜和CCD摄像头对试样表面裂纹的演化规律进行了在位停机观测和在位不停机连续观测尝试,试验发现,裂纹均萌生于与拉伸应力垂直的圆孔边缘;疲劳裂纹的萌生与Lueders形变带密切相关,萌生期超过整个疲劳寿命的70%,主裂纹的发展既可以共面扩展的方式向前连续延伸,也可以裂纹连接的方式向前跳跃传播,应力控制的低周疲劳条件下,疲劳寿命与应力面形貌图像,频闪光源照明可以实现表面疲劳裂纹的在位不停机观测。     

随机应力过程下半椭圆型表面裂纹的扩展

本文应用随机平均原理研究了在随机载荷作用下具有随机抗裂特性的构件所含半椭圆型表面裂纹的疲劳扩展。导出了支配半椭圆型表面裂纹尺寸的转移概率密度的ＦＰＫ方程，给出了裂纹扩展方程在表面和深度两个方向互不耦合情形下的解析解。通过数例详细考察了具有确定性抗裂特性的构件所含半椭圆型表面疲劳裂纹在平稳窄带高斯应力作用下的扩展行为，并有和数字模拟验证方法的有效性。     

柔度法研究镍铬合金焊材的高温疲劳裂纹扩展行为

金属材料的高温疲劳裂纹扩展速率试验,关键问题在于高温环境下精确测量试样的裂纹长度.基于柔度测试技术,通过改进现有高温应变引伸计实现了FFCT试样的高温疲劳裂纹扩展速率测试.利用有限元方法对具有分层构形CT试样的柔度方法进行了研究,获得了分层结构CT试样的等效弹性模量表达式,通过迭代方法对实时裂纹长度进行修正,获得了良好的预测精度.完成了镍铬合金焊带、焊条和焊丝三种焊材常温和350℃下的疲劳裂纹扩展速率试验,获得了相应的疲劳裂纹扩展规律.     

疲劳裂纹扩展的逻辑框架

人们已经发现应力强度因子变程△K与疲劳裂纹扩展率da/dN之间具有良好的对应关系,并由此建立了反映这些关系的各种理论。根据实验结果建立的疲劳裂纹扩展理论往往是假设性的(conjectory);但同时也可以用严谨的逻辑推理来导出疲劳裂纹扩展理论。演绎推导的理论和假设性的理论互为补充,促进了人们对疲劳裂纹扩展规律认识的不断深化。 本文对30年来疲劳裂纹扩展领域的工作进行了系统的总结,具体回顾考察了四种演绎推导理论:①无限大均匀宽板中的小裂纹扩展理论;②da/dN与△K相关的相似理论;③小范围屈服条件下均匀材料中的裂纹扩展理论;④链开式疲劳裂纹扩展理论,并将上述四种理论囊括在一个逻辑框架之中,用以分析疲劳裂纹扩展问题。本文也简述了如何应用这一逻辑框架来理解总结反映疲劳裂纹扩展行为的各种表达式,解释复杂的小裂纹扩展和复合材料中的裂纹扩展。