红外热像法快速确定45#钢的疲劳性能

红外热像法作为一种无损、实时及非接触的测试技术,在疲劳研究领域得到广泛的应用.该方法克服了传统试验方法周期长、所需试验试件和费用多的困难.本文利用红外热像仪测量了疲劳试验中45#钢试件表面温升变化,根据红外疲劳极限快测法得到疲劳极限,并由累积塑性功和塑性温升之间的相关假设,推导出了试件疲劳寿命的计算公式.试验结果表明,红外热像法可以快速、准确地确定材料的疲劳极限和S-N曲线.     

疲劳过程中生热机理的实验探讨

传统的疲劳试验方法确定材料的疲劳极限时试验周期长、需要试件多,故高试验成本成为疲劳试验中一个难以解决的问题.文中利用具有准确、快速、便捷、低成本等优点的热像法测定了多种载荷工况下Q235钢的疲劳极限,并对不同的黏或/和塑性效应主导的生热机制进行了探讨.材料疲劳过程中,疲劳极限之下的载荷引起的温度波动来源于热弹性效应,温升来源于材料的非弹、塑性效应(如黏性效应);而疲劳极限之上的载荷引起塑性功累计,导致疲劳损伤产生,使得温升机制出现转折.通过对试验数据的分析,求出了材料的黏性系数,给出了利用塑性能耗的起点确定材料疲劳极限的方法.     

基于塑性应变能复杂应力场非比例加载疲劳寿命分析

本文提出了一种以应变能预测多轴应变加载低周疲劳寿命的新方法,该方法最大特点假设疲劳裂纹是由最大剪应力和其相对应的正应力引起,解决了其他方法不能反映非比例强化的问题;该方法建立等效内应力、外加有效应力与塑性应变能的关系,从而分析得到基于塑性应变能的多轴非比例疲劳寿命的计算模型,及多轴疲劳寿命公式中材料参数确定、剪应力及其所在平面所对应的正应力、塑性应变能等的获取方法.凭借Al5083、S460N材料光滑试件、GH4169材料缺口件、Al5083焊接件的多轴非比例加载进行寿命预测的验证,证明该模型可以预测不同材料、不同加载路径下的多轴非比例应变加载低周疲劳寿命.     

一种考虑拉伸保持效应的多轴疲劳寿命模型

通过定义考虑拉伸保载效应的CFI因子(creep-fatigue interaction factor),将拉伸蠕变损伤和疲劳损伤进行非线性耦合. 根据断裂实验的观察,针对拉伸主 导的裂纹萌生、扩展及破坏的多轴疲劳问题,给出了一个基于临界面方法的能量型高温多轴 疲劳寿命预测模型. 所给出的模型可对不同温度、不同载荷特点、不同保载时间的多轴疲劳 寿命进行预测,模型的材料参数不依赖于温度和载荷. 并且此方法可以很方便地推广到其它 因素主导破坏的高温多轴疲劳寿命预测. 通过拟合高温合金Udimet720Li单轴带保持时间的 低循环疲劳(low cycle fatigue, LCF)寿命试验数据,得到了材料常数. 结合黏 塑性有限元分析方法,对高温双轴带保载循环载荷下Cruciform试件的寿命进行了 预测,预测结果基本落在2倍分散带内,达到工程的要求,证明了该模型的有效性.     

利用红外热像技术快速确定材料疲劳极限

基于能量理论,阐述了利用红外热像方法确定材料疲劳极限的原理,并利用红外热像仪对具有矩形截面的钢试件进行了疲劳试验,通过记录疲劳试验过程中试件表面的温度变化,经处理后得到了该种材料的疲劳极限. 试验表明,利用红外热像技术可以快速、准确地确定材料的疲劳极限. 同时,该方法还具有可靠、经济、便捷等优点.     

金属连接导管振动疲劳极限测试方法研究

为确定滚压和焊接钛合金导管的振动疲劳极限寿命,采用HB5277-84规定的振动疲劳试验方法和失效准则。分别利用激光位移传感器和电阻应变片测定了试件的第一阶频率和规定加速度载荷激励下的试件悬臂端位移及试件根部的应变。试验发现：对于具有连接特性的试件在进行定频振动疲劳试验初期,试件第一阶响应频率快速下降,此时试件并未发生裸眼可见破坏和裂纹。为满足产品定寿要求,采用逐级增加试验载荷进行扫频振动试验,直至试件频率稳定以及根部应变和端部位移达到试验要求后,再进行正式定频振动疲劳试验,仍采用依据频率下降1%作为失效准则完成了所用规定试验。     

腐蚀与缺口对LY11铝合金疲劳极限影响的试验研究与分析

以飞机螺旋桨叶常用材料ＬＹ１１ＣＺ铝合金锻件的材料试件、腐蚀试件和缺口试件的疲劳极限实验结果为依据,研究了腐蚀与缺口对疲劳极限的影响,给出腐蚀试件和缺口试件疲劳极限的关系,并建立起一种只用材料疲劳极限来确定严重腐蚀情况对应的疲劳极限分布的方法,以适应螺旋桨叶等按无限寿命准则设计的构件评估腐蚀后疲劳可靠性的工程需求．     

材料性能试验中试件数的确定

1.引言实践证明:材料在给定载荷下的疲劳寿命、材料拉伸极限、断裂韧性以及常规的力学性能、都是随机变量.有的分散性还很大.因此,在进行试验测定时,首先就会碰到如何合理确定试件数量的问题.然而目前在试验工作中,还主要是根据经验来确定试件数量,缺乏必要的理论依据,因而带有很大的主观随意性和盲目性.本文运用数     

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。     

一种改进的激光冲击强化效果实验验证方法

表面强化技术可以显著提高材料的疲劳性能,广泛应用于航空零部件的加工制造。在试验研究强化工艺对材料疲劳性能的增强效果时,常采用升降法来进行。针对升降法试验中存在的初始应力不易确定的问题,根据线性累积损伤理论和已知表面强化前材料疲劳特性的特点,提出一种快速确定升降法试验初始应力的方法,应用于K417材料激光冲击强化效果试验验证中。该方法仅需通过2～3个试件的实验即可找到适当的初始应力。通过对不同表面状态标准试片的振动疲劳试验,验证了激光冲击强化可较大幅度增强材料的疲劳性能。     

孔边循环应变与疲劳循环次数相关性实验研究

材料的应变疲劳寿命与裂端的塑性应变有关。研究孔边循环应变与疲劳循环次数的相关性,对于研究材料损伤及微裂纹的产生,预防宏观裂纹的产生及扩展具有十分重要的意义。所以本文对有限宽板中心带孔试件进行了拉伸疲劳试验,用以研究这种相关性。在疲劳试验前首先进行逐级的加、卸载缓慢循环实验,同时利用数字图像相关技术测量孔周的位移场,进而求出孔边应变。在疲劳试验过程中,每当疲劳循环1500次就停机,进行同样的缓慢循环实验,并测量出孔周的位移场及孔边应变。实验研究中获得了一些很重要的结果。     

基于应变能的复杂应力场低周疲劳分析

塑性应变能使材料微观组织结构发生不可逆变化,从而引起等效宏观应力,该应力随循环加载而增大．假定材料疲劳源处破坏是由最大拉应力引起的,最大等效宏观应力与外加应力叠加达到材料本征断裂应力时形成微裂纹．微裂纹引起上述两部分应力变化,继续加载直至宏观裂纹出现,从而得到材料的疲劳寿命．本文所建立的多轴疲劳寿命公式包含材料参数、拉应力以及塑性应变能等,以上数据可通过单轴疲劳数据和有限元方法获得．通过对SM45C材料的计算验证,表明该模型对多轴随机应变加载低周疲劳寿命,具有良好的预测结果．     

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.     

谐振载荷作用下工程结构振动疲劳寿命预估的损伤力学-有限元法

建立了预估谐振载荷作用下结构振动疲劳寿命的损伤力学-有限元方法。首先根据损伤热力学原理,构建了损伤演化方程,建立光滑试件在恒幅应变交变载荷作用下寿命预估方法;进一步由损伤力学守恒积分原理,得到恒幅重复载荷作用下应力与寿命的关系式;然后根据标准件疲劳试验结果,拟合得到损伤演化方程中的材质参数;最后利用APDL语言编程对ANSYS软件进行了二次开发,借助ANSYS软件对谐振载荷作用下结构振动疲劳裂纹萌生寿命进行预估。作为算例,本文利用该方法预估了LC9CgS1铝合金梁谐振载荷作用下疲劳裂纹萌生寿命。     

缺口件疲劳寿命分布预测的有效应力法

论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.     

Design and Simulation of a Novel Multi-Axial Fatigue Test Rig

This research covers the design and simulation of a novel experimental concept for multi-axial fatigue analysis of cylindrical specimens. The resulting design allows a combination of bending and torsional stress to test specimens with critical diameters ranging from 5 to 15 mm at test frequencies up to 50 Hz. Furthermore, the amplitude and frequency of both loadcases can be controlled independently. The test rig will be used to study and validate fatigue criteria for synchronous and asynchronous loading conditions and to analyze the effect of size on the fatigue life of metal and plastic components. The test setup consists of a closed mechanical loop. The primary shaft contains the cylindrical test specimen and is modified to impose rotating bending loads. The secondary shaft is adjusted to introduce fluctuating torque in the transmission loop. Both shafts are connected by means of two double link mechanisms to minimize the clearance and the inertia of the system. The time-varying multi-axial stress state in the cylindrical specimen is analyzed as a function of the amplitudes and frequencies of both bending and torsional loadcases. This is verified by a numerical fatigue analysis in MSC-Patran and MSC-Fatigue. Finally, the dynamical behavior of the test system is studied using a 5 DOF torsional mass-spring representation and the Lagrangian method. A more complex model with 20 DOF is implemented in SimDriveLine and solved via Matlab to analyze the kinematical and dynamical properties more accurately. Both studies take the mechanical properties of steel and plastic test specimens of different sizes into account.     

Repeated impact on fatigue fracture of carbon spring En-42J steel

The influence of repeated impact loading on fatigue fracture of carbon spring En-42J steel is studied. A highly localized plastic deformation is observed at the time of impact. The circular disc specimen is failed by impact fatigue resulting in small chips and ordinary fatigue failure by slow crack growth. The crack growth behavior depends on specimen geometry, load spectra and material type. The resultant of applied and residual stress was highest at the edge of the circular disc where the crack initiated. The fractured surface showed typical cleavage facets and dimples indicating acicular martensite. A model is developed to explain fatigue crack initiation and propagation behavior under impact loading. Stress calculations are made to determine catastrophic failure. Crack initiation occupied the major part of impact fatigue life while crack growth was fast and led quickly to sudden fracture.     

Contribution of Kinematical and Thermal Full-field Measurements for Mechanical Properties Identification: Application to High Cycle Fatigue of Steels

The purpose of this work is to extend the use of unconventional tests and full field measurements (kinematical and thermal) to the identification of the effect of a wide plastic pre-strain range on the high cycle fatigue properties of a dual-phase steel. An unconventional specimen is designed. The geometry of this specimen permits a constant gradient of pre-strain to be obtained after a monotonic tensile test. Then, a self-heating test under cyclic loading is carried out on the pre-strained specimen. During this cyclic test, the thermal field is measured using an infrared camera. Finally, a suitable numerical strategy is proposed to identify a given thermal source model taking into account the influence of plastic pre-strain. The results show that, with the unconventional test and the procedure developed in this work, the influence of a plastic pre-strain range on fatigue properties can be identified by using only one specimen when, for a classical fatigue campaign, a great number of specimens is required.     

Intrinsic fatigue curves applied to damage evaluation and life prediction of laminate and fabric material

Modeling of the stochastic fatigue behavior of specimens is made from a knowledge of the intrinsic character of fatigue referred as the intrinsic fatigue curve (IFC). The idea is to predetermine the fatigue behavior of specimens' population such that each sample functions of IFC would correspond to the intrinsic fatigue character of a specimen. The existence proof of IFC is derived from Kolmogorov's theorem for a random function. The form of IFC is obtained for log-normal life distribution functions of specimens subjected to constant-amplitude load histories. Proposed is a linear damage accumulation rule for estimating the life distribution function of a specimen subjected to irregular load histories. For a stationary loading process, the life distribution function is also shown to be log-normal. The relations between the quantile SN curves and IFC are established. The ways of creating IFC from test data and quantile SN curves are illustrated by numerical examples for laminate and fabric material.