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．     

预制裂纹参数及相对密度对平面多孔结构裂纹扩展的影响

基于有限元仿真和准静态三点弯曲实验研究了预制裂纹参数和相对密度对平面多孔结构板裂纹扩展的影响规律。考虑预制裂纹尺寸、数量、倾角和位置以及多孔结构板的相对密度,共设计9组模型;利用有限元仿真软件获得模型弹塑性阶段的应力图及载荷-位移曲线并进行分析,提出相应规律;同时采用3D打印机熔融丝制备多孔结构模型,利用微机控制电子万能试验机完成三点弯曲实验,并与有限元仿真结果进行拟合分析,验证结论的正确性。结果表明：预制裂纹的尺寸越大、数量越多,则模型抑制裂纹萌生和扩展的能力越强;多孔结构的相对密度对不同的单元形状及单元取向模型抑制裂纹萌生及扩展的影响不同。     

一种镍基双晶材料疲劳裂纹扩展效应

对晶界平行裂纹和晶界垂直裂纹的双晶体进行三点弯曲疲劳实验，研究了双晶材料的疲劳裂纹扩展规律，测定了双晶的疲劳扩展速率，揭示了晶界对晶粒疲劳裂纹扩展的屏蔽效应：当裂纹距晶界某一特定长度时，裂纹扩展速率最快；而裂纹顶端交于晶界时，裂纹扩展速率最侵．进一步的晶体滑移有限元数值分析揭示了这种屏蔽效应的机理：晶界附近不协调的塑性变形，导致了裂纹尖端应力场的重新分布．     

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．     

能量法分析纳晶材料裂纹的萌生

利用能量守恒定律分析了纳晶材料裂纹在三晶交处的萌生，分别推导了纳晶材料中的特定旋转变形能、晶界滑移能、晶界扩散能，并运用最大等效裂纹能量释放率准则来判断纳晶材料裂纹萌生。结果表明：特定旋转变形、晶界扩散均能松弛裂纹尖端的应力，阻碍裂纹的生长；而晶界滑移使得晶界位错在三晶交处堆积，造成三晶交处的应力集中，促使裂纹的生长；稳定状态下，外力做的功等于由特定旋转变形、晶界滑移、晶界扩散造成的能量耗散。     

纳米晶体铝在单轴拉伸下的位错堆积对微裂纹扩展的影响

摘要：针对纳米晶体材料,研究了单轴拉伸载荷作用下纳米晶体铝中的裂纹与裂纹尖端发射的位错所形成的滑移面之间的相互作用。通过分布位错法,将裂纹和滑移面等效为均匀分布的连续位错,获得了裂纹面上应力场。并引入裂纹尖端的无位错区,研究了裂纹尖端无位错区对微裂纹的萌生和主裂扩展之间的影响。结果表明,不考虑裂纹尖端无位错区时,裂纹长度较短,会先在晶界处形成微裂纹,主裂纹较长时,主裂纹会直接穿晶扩展。滑移面与裂纹尖端夹角较大时,会增加裂纹尖端发射的位错个数,从而抑制主裂纹的扩展。考虑裂纹尖端无位错区时,无位错区先于晶界处出现微裂纹,通过主裂纹与微裂纹之间位错的相互发射,导致裂纹与尖端处微裂纹汇合,有效加速了主裂纹的扩展。     

动态裂纹扩展中的分形效应

假设裂纹顶端沿着分形轨迹运动，建立了裂纹扩展的分形弯折（ｋｉｎｋｉｎｇ）模型来描述裂纹的动态扩展。根据这个模型，我们推导了分形裂纹扩展对劝态应力强度和裂纹速度的影响．动态应力强度因子与表观应力强度因子之比Ｋ（ｌ（ｔ），Ｖ）／Ｋ（Ｌ（ｔ），Ｏ）是表观裂纹速度Ｖ＿Ｏ，材料微结构参数（ｄ／Δａ），分维Ｄ和裂纹扩展路径的弯折角θ的函数。本文研究结果表明：在分形裂纹扩展中，表观（或量测）的裂纹速度Ｖ＿Ｏ很难接近Ｒａｙｌｅｉｇｈ波速Ｃ＿ｒ．动态断裂实验中Ｖ＿Ｏ明显低于Ｃ＿ｒ的原因可能是分形裂纹扩展效应所致。材料的微结构，裂纹扩展路径的分维和弯折角均很强地影响动态应力强度因子和裂纹扩展速度。     

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.     

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．     

脆性材料裂纹扩展的分形运动学

大量实验结果表明脆性材料裂纹扩展路径是弯弯曲曲的，不规则的，断裂表面粗糙不平，表现出分形特征。本文应用分形几何推导出脆性材料裂纹扩展的分形运动学公式，得到了动、静态断裂韧性与分形裂纹扩展速度、裂纹长度、微结构特征量δ＿ｃ以及分形维数之间的关系；推导出了裂纹扩展速度的计算公式，得出宏观量测的裂纹扩展速度Ｖ＿０应小于分形裂纹扩展速度Ｖ；并推导出直接根据材料动、静态断裂韧性和裂纹扩展速度Ｖ＿０估算材料裂纹扩展路径的分维计算公式．本文理论分析结果与实验值在定性定量上达到了较好的一致。     

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。     

循环J积分作为疲劳裂纹扩展驱动力的研究

对循环Ｊ积分ΔＪ可否作为应力强度因子幅ΔＫ不再适用的场合的裂纹扩展驱动力进行了研究。用Ｄ－Ｂ法估计了中心裂纹板（ＣＣＰ）和单边裂纹板（ＳＥＣＰ）试件受单调加载作用的Ｊ积分的塑性部分Ｊｐ，并与有限元结果进行了比较。本文还对Ｖ型和半圆切口根部萌生的短裂纹在循环载荷下进行了弹塑性大应变有限元分析。结果表明ΔＪ有一定的路径相关性，即由较靠近裂尖的积分路径得的ΔＪ值小于较远路径上获得的，两者又都小于Ｄ－Ｂ法估计得ΔＪ值，切口根部短裂纹扩展实验和表面裂纹远场大应变控制下低周疲劳实验表明，由Ｄ－Ｂ法估计的ΔＪ在一定条件下可以作为疲劳裂纹扩展驱动力，深度方向和表面长度方面的裂纹扩展率皆可由线性似合线来表示。考虑闭合效应后，ｄａ／ｄＮ－ΔＪｅｆｆ也是Ｐａｒｉｓ型关系，而且可在切口根部萌生出的裂纹很短的条件下使用     

脆性固体变形响应与裂纹扩展的同步试验观测及其定量分析

通过对砂浆试样的材料变形响应和表面裂纹图象的同步观测实验研究、试样表面细观裂纹萌生和裂纹扩展图象信息的采集和量化方法的研究，探讨脆性固体材料的损伤状态与其宏观力学响应之间的关联。用本文提出的实验及其分析处理方法，可以得到砂浆、混凝土、岩石一类脆性固体材料在承载和变形过程中，表面裂纹扩展的定量结果。试样的表面裂损度代表了砂浆试样在承载和变形过程中表面裂纹扩展的情况，也在一定程度上反映了试样内部的损伤情况。     

激光辐照下预内压低碳钢圆柱壳爆裂断口分析

通过实验揭示了预内压低碳钢薄柱壳在激光辐照下裂纹萌生、扩展和止裂过程的较完整物理图象。对断口特性进行了深入分析，发现辐照区上裂纹的形成和扩展机制以韧性为主，断口在柱壳壁厚度方向有明显分层，如外层为塑性变形层，内层是韧窝或层状撕裂，部分试件的最内层出现脆性石头状断口。给出了激光辐照区应力分布与裂纹萌生之间的关系，同时探讨了激光辐照区材料金相组织变化对材料细观损伤和初始裂纹萌生的影响，有助于进一步对激光辐照下柱壳的断裂问题进行更深入的理论研究。     

爆炸荷载作用下两平行裂纹对扩展中裂纹的影响规律

用实验和数值模拟方法,研究在爆炸载荷下岩体内部一对平行裂纹对扩展主裂纹的影响规律。实验中,采用带有中心装药孔及预制裂纹的砂岩圆盘试件,利用由示波器、超动态应变仪及裂纹扩展计所组成的测试系统,监测主裂纹扩展速度和扩展距离;数值模拟中,采用了AUTODYN软件进行,模拟了主裂纹及两平行裂纹的扩展规律,对岩石材料,采用线性状态方程及最大拉应力失效准则,并在两平行裂纹间设置相应的观测点记录应力曲线。通过实验与数值模拟分析,得到:爆炸载荷下,紧随冲击波后的稀疏波经过两平行裂纹面反射后变成压缩波,并在两平行裂纹间产生垂直于主裂纹扩展方向的压应力,对裂纹的扩展有压制、止裂作用;而且,这种压应力的大小与两平行裂纹的间距有关,进而导致了不同的止裂效果,影响裂纹的扩展速度及最终扩展长度。     

次表面微裂纹对偏折主裂纹扩展行为的分布位错理论研究

为研究在拉伸载荷作用下包含一条埋置偏折裂纹和一条任意位置微裂纹的半无限大平面问题.论文基于连续分布位错法,建立相应的位错密度积分方程,并采用GAUESS-CHEBSHEV数值积分法得到其力学参量.通过有限元法对理论结果进行了验证.埋置深度、微裂纹中心到主裂纹尖端的距离将对主裂纹尖端的应力强度因子产生影响;结果表明相比于无微裂纹的情况,在某些方位处微裂纹对主裂纹尖端的扩展起到促进作用,而在其他方位的微裂纹对主裂纹尖端的扩展起到抑制作用;主裂纹尖端的扩展方向和等效应力强度因子相比于倾斜微裂纹而言受水平微裂纹的影响更大.     

CTS试件中复合型疲劳裂纹扩展

针对复合型循环载荷作用下的金属构件中的裂纹扩展问题进行了实验分析和理论建模. 首先 采用紧凑拉剪试件(CTS)和 Richard研制的复合型载荷加载装置，对承受复合型循环载荷的裂纹进行了实验研究. 实验选择了两种金属材料试件，分别承受3种形式的复合型循环载荷的作用，在裂纹尖端具 有相同的初始应力场强度的条件下考察复合型循环载荷对裂纹扩展规律的影响. 实验结果表明，疲劳裂纹的扩展速率与加载角度有关. 对于同样金属材料的试件，当裂尖处 初始应力场强度相等时，载荷越接近于II型，裂纹增长速率越快. 采用等效应力强度 因子(I型和II型应力强度因子的组合)、裂纹扩展速率及复合强度等参数，以实验数据为 基础，建立了一个疲劳裂纹扩展模型，用来预测裂纹在不同模式疲劳载荷作用下的扩展速率. 为验证其有效性，该模型被应用于钢制试件的数值模拟计算中. 实验结果与模拟计算曲线保 持一致，表明该模型可以用来估算带裂纹金属构件的寿命.     

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。     

伴随微孔洞生长的裂纹弹塑性定常扩展

裂纹在韧性材料中扩展时,将们随着微孔洞的萌生和生长,孔洞的萌生和深化将直接影响着材料的总体断裂韧性和强度,以往的研究主要集中在将裂纹的扩展刻划为微孔洞的萌生、生长和汇合这样一个过程。从传统的断裂过程区模型出发研究微孔洞的萌生和生长对材料总体断裂韧性的影响,通过采用Ｇｕｒｓｏｎ模型,建立塑性增量本构关系,然后针对定常扩展情况直接进行分析,孔洞对材料断裂韧性的影响由本构关系刻划,而在孔洞汇合模型中,上     

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°.