合金材料超高周疲劳的机理与模型综述

在循环载荷作用下, 合金材料发生裂纹萌生、扩展直至断裂的周次在107以上的过程被称为超高周疲劳 (very-high-cycle fatigue, VHCF).本综述将从30年前超高周疲劳的研究起源讲起, 直到近年的最新进展.引言之后的内容包括: 超高周疲劳研究的起源, 超高周疲劳的主要特征, 超高周疲劳裂纹萌生特征区和特征参量, 裂纹萌生特征区的形成机理与模型, 超高周疲劳性能预测模型. 在叙述中, 试图回答下列问题: 什么是超高周疲劳?为什么要研究超高周疲劳?超高周疲劳的关键科学问题是什么?超高周疲劳的S-N曲线趋势为什么发生变化?超高周疲劳裂纹为什么萌生于材料 (试样) 内部?裂纹内部萌生的过程和机理是什么? 上述问题有的可以给出明确的回答, 有的则是现阶段的最新结果, 并有待于对问题的继续探索.      

A review on mechanisms and models for very-high-cycle fatigue of metallic materials

在循环载荷作用下, 合金材料发生裂纹萌生、扩展直至断裂的周次在10⁷以上的过程被称为超高周疲劳 (very-high-cycle fatigue, VHCF).本综述将从30年前超高周疲劳的研究起源讲起, 直到近年的最新进展.引言之后的内容包括: 超高周疲劳研究的起源, 超高周疲劳的主要特征, 超高周疲劳裂纹萌生特征区和特征参量, 裂纹萌生特征区的形成机理与模型, 超高周疲劳性能预测模型. 在叙述中, 试图回答下列问题: 什么是超高周疲劳?为什么要研究超高周疲劳?超高周疲劳的关键科学问题是什么?超高周疲劳的S-N曲线趋势为什么发生变化?超高周疲劳裂纹为什么萌生于材料 (试样) 内部?裂纹内部萌生的过程和机理是什么? 上述问题有的可以给出明确的回答, 有的则是现阶段的最新结果, 并有待于对问题的继续探索.     

合金材料超高周疲劳的机理与模型综述

在循环载荷作用下,合金材料发生裂纹萌生、扩展直至断裂的周次在10~7以上的过程被称为超高周疲劳(very-high-cycle fatigue,VHCF).本综述将从30年前超高周疲劳的研究起源讲起,直到近年的最新进展.引言之后的内容包括:超高周疲劳研究的起源,超高周疲劳的主要特征,超高周疲劳裂纹萌生特征区和特征参量,裂纹萌生特征区的形成机理与模型,超高周疲劳性能预测模型.在叙述中,试图回答下列问题:什么是超高周疲劳?为什么要研究超高周疲劳?超高周疲劳的关键科学问题是什么?超高周疲劳的S-N曲线趋势为什么发生变化?超高周疲劳裂纹为什么萌生于材料(试样)内部?裂纹内部萌生的过程和机理是什么?上述问题有的可以给出明确的回答,有的则是现阶段的最新结果,并有待于对问题的继续探索.     

GCr15钢超声微动疲劳性能研究

由微动产生的裂纹萌生对钢组件的疲劳强度具有重要影响。本文选择GCr15轴承钢,在20kHz超声疲劳试验机提供的循环载荷作用下,测试其超长寿命微动疲劳性能。试验结果显示,在109循环周次下微动疲劳强度影响因子达到0.37。通过电子扫描电镜观察试件磨损面和微动疲劳断口,并分析了高频超长寿命微动疲劳断裂机理。高周疲劳裂纹通常会在磨损面的粘着区与滑移区交界处萌生,超高周疲劳裂纹在粘着区内萌生。微动磨损面的面积以及磨损面的粘着区都随着试件疲劳寿命的增加而增加。     

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.     

TC4钛合金超高周次轴向振动疲劳试验

应用基于压电超声疲劳试验技术开发的20kHz轴向振动疲劳试验系统,完成了室温下TC4钛合金超高周疲劳试验,获得了TC4合金在107～109周次范围内的轴向振动疲劳寿命曲线(S-N曲线);运用C.Paris推导公式预测了TC4合金材料的寿命,得到各应力水平下破坏率为50％、95％、99％的安全寿命.结果表明:在疲劳循环大于107周次时,试件仍会发生疲劳断裂,疲劳强度随循环次数的增加而下降,并不存在明显的疲劳极限.TC4合金的S-N曲线在107～109周次的范围内呈连续下降型.在轴向振动超高周疲劳试验中,试件的裂纹扩展寿命只占其在50％破坏率下疲劳安全寿命的一小部分,其疲劳寿命主要由试件的裂纹萌生寿命决定.     

CrMoW转子钢高温超高周裂纹扩展及疲劳行为研究

本文研究了超超临界汽轮机CrMoW转子钢在常温与600℃条件下的超高周旋转弯曲疲劳行为。实验中利用位移传感器原位监测试件挠度变化,研究裂纹的萌生与扩展特性。研究结果发现,在常温下,疲劳裂纹主要萌生于试样表面,但也发现超高周次疲劳破坏的裂纹萌生于内部的情形。600℃时,S-N曲线呈现直线下降的趋势;大多试样裂纹萌生区和初始扩展区发现非金属夹杂物,其裂纹萌生是表面裂纹起源和亚表面夹杂物相耦合的结果。裂纹萌生寿命占整个疲劳寿命的90%以上,裂纹萌生寿命百分比(Ni/Nf)随疲劳寿命的延长而增大,并且温度对裂纹萌生寿命百分比没有影响。     

孔径尺寸对干涉配合铆接件超高周疲劳性能的影响

合理的干涉配合铆接工艺可以有效提高构件疲劳性能,本文通过试验研究与数值模拟相结合分析孔径尺寸对干涉配合铆接件超高周疲劳性能的影响。利用20kHz超声疲劳试验系统测试了三种不同孔径尺寸下干涉配合铆接件的超高周疲劳性能;基于ABAQUS模拟分析了铆接工艺过程以及孔径尺寸对干涉量和孔边残余应力的影响,通过分析高频低幅加载下孔边应力分布,结合超高周疲劳试验及断口形貌观察,分析了孔径尺寸对铆接件超高周疲劳性能的影响。结果表明:不同孔径尺寸铆接件的裂纹萌生扩展方式类似,疲劳裂纹萌生均发生在孔边距表面1.5mm最大残余拉应力处;适当减小孔径尺寸所形成的合理干涉量可以提高铆接件疲劳寿命,φ4.10mm的孔径可以形成0.66%的孔边平均干涉量,铆接件疲劳寿命最高达到3.63×108周。     

结构金属材料超高周疲劳破坏行为

受传统试验方法的限制,结构材料的疲劳研究范围常限于107周次以内。然而,过去十年出现了一系列意料之外的破坏事件,尤其是对于认为具有明显疲劳极限的钢铁结构部件。因此,对于不同材料达到1010周次的超高周疲劳行为的研究引起了广泛关注,尤其是近年来成为了热点。本文综述了结构金属材料超高周疲劳的研究现状并介绍了其基本方面。主要内容包括：加速疲劳试验方法的发展与应用、超高周疲劳引起的内部断裂的裂纹萌生机制与扩展特征、S-N曲线的形状特点、疲劳极限存在性及其预测、加载频率和环境及表面状况的影响等。在此基础上提出值得进一步研究的一些方向。     

航空发动机钛合金材料的高周和超高周疲劳性能研究1）

通过对航空发动机空心风扇叶片用Ti-6Al-4V 随炉试样的高周和超高周疲劳试验研究,揭示了Ti-6Al-4V 材料在10⁷ 循环周次以上同样会发生疲劳破坏. 采用三参数幂函数寿命曲线拟合了高周和超高周的疲劳性能数据,发现可以较好地将两种试验下的数据衔接起来,结果显示在此试验条件下基于超声的超高周疲劳试验的频率效应可以忽略. 通过断口分析表明,超高周试样在试样表面没有缺陷的情况下,裂纹大多数是从材料内部或次表面萌生,而高周疲劳试样的裂纹是从材料表面开始萌生.     

Very high cycle fatigue for GCr15 steel with smooth and hole-defect specimens

Very high cycle fatigue (VHCF) properties of a low temperature tempering bearing steel GCr15 with smooth and hole-defect specimens are studied by employing a rotary bending test machine with frequency of 52.5 Hz. Both smooth and hole-defect specimens break in VHCF regime with some difference in fatigue crack initiation. For smooth specimens, a fine granular area (FGA) is observed near the grain boundary in the fracture surface of the specimens broken after 10⁷ cycles. But no FGA is observed in the hole-defect specimens broken in VHCF regime, and the VHCF crack does not initiate from the small hole at the surface as it does at low or high cycle fatigue regime. Internal stress is employed to explain the VHCF behavior of these two types of specimens. At last, an advanced dislocation model based on Tanaka and Mura model is proposed to illustrate the internal stress process and to predict fatigue crack initiation life with FGA observed in the fracture region.     

A two-parameter model to predict fatigue life of high-strength steels in a very high cycle fatigue regime

In this paper, ultrasonic(20 kHz) fatigue tests were performed on specimens of a high-strength steel in very high cycle fatigue(VHCF) regime. Experimental results showed that for most tested specimens failed in a VHCF regime, a fatigue crack originated from the interior of specimen with a fish-eye pattern, which contained a fine granular area(FGA) centered by an inclusion as the crack origin. Then,a two-parameter model is proposed to predict the fatigue life of high-strength steels with fish-eye mode failure in a VHCF regime, which takes into account the inclusion size and the FGA size. The model was verified by the data of present experiments and those in the literature. Furthermore, an analytic formula was obtained for estimating the equivalent crack growth rate within the FGA. The results also indicated that the stress intensity factor range at the front of the FGA varies within a small range, which is irrespective of stress amplitude and fatigue life.     

Correlation of modified crack tip opening distance with heat input to the heat affected zone of high-strength low-alloy steels

Investigated is the dependency of the crack tip opening displacement (CTOD) on the local microstructure of the heat affected zone in high-strength low-alloy (HSLA) microalloyed steel. Since the initiation of the crack tip location could not be controlled in fatigue, any possible correlation between heat iput in welding and fracture toughness could be smeared. Modified CTOD data are defined; they show that the fracture resistance of the weld joint decreased as the heat input increased.     

Fundamental study on rupture by low-cycle fatigue of polymers applying the fine-grid method

Few studies have been made on the fracture mechanics of polymers, their resistance to plastic failure, fatique rupture, and the adverse effects of environmental conditions, in contrast to the numerous studies conducted on metallic materials. Since fatigue is characterized by very local and cyclic fractures, in the present study a real-time fine-grid method was applied to study the fatigue rupture of polymers: to examine changes in local strain at the root of the notch during the process of crack initiation, the local strain at the tip of the crack during crack propagation and the relation between the plastic zone formed in front of the crack tip and the rate of crack propagation. As a result, strong correlation between three proposed parameters of the local crack-tip strain, the crack initiation and the propagation rate was obtained, and the mechanism of low-cycle fatigue rupture of polymers could be discussed.Paper was presented at the 1988 SEM Spring Conference on Experimental Mechanics held in Portland, OR on June 5–10.     

高强度钢的超高周疲劳裂纹扩展模型研究

当疲劳寿命在106或107周时,Wöhler S-N 曲线被看作渐近于水平轴,107的疲劳强度被看成是疲劳极限。现代应用要求延长零件的工作寿命,实际齿轮部件应用超过107循环的疲劳失效。本文应用压电超声疲劳试验机对经过热处理和渗碳处理后的低铬合金钢材料进行研究,采用红外摄像仪观测试件表面的温度场随疲劳裂纹萌生和扩展的过程。试验条件是室温,应力比为0.1（R=0.1）,频率为20KHz。通过对表面渗碳处理后试件的断口分析,探讨表面渗碳处理、微观结构和与杂质有关的断裂机理,根据Paris公式建立超高周疲劳裂纹扩展模型。对裂纹扩展过程中裂纹尖端的塑性区的分析结果,结合传热学原理,建立热耗散模型,有限元方法的数值解结果较好地符合红外摄像仪的观测的试验结果。     

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.     

基于局域分析的疲劳短裂纹群体演化随机模型

采用局域裂纹数密度描述金属材料中不同局部区域的疲劳短裂纹群体损伤的发展情况通过考虑在不同局域存在的材料性质的随机涨落及局部损伤对损伤总量发展的影响，建立了局域裂纹数密度演化随机方程对方程数值求解从而模拟了材料的疲劳短裂纹损伤过程结果显示出主裂纹出现的随机性，并讨论了裂纹总数与最大裂纹尺度在统计意义上的演化特征     

Effect of low cycle fatigue pre-damage on very high cycle fatigue

Carbon-manganese steel is often applied in components of pipes in nuclear plant. Ultrasonic fatigue tests following low cycle fatigue (LCF) cycles damaged are used to study the strength of very high cycle fatigure (VHCF). The comparison of test results of simple VHCF and cumulative fatigue (LCF plus VHCF) shows that LCF load influences the following VHCF strength. Continuum damage mechanics model is extended to VHCF region. The effect of LCF load on VHCF is studied by an improved cumulative damage model.