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.      

热致和磁致形状记忆合金循环变形和疲劳行为研究

形状记忆合金(包括热致和磁致形状记忆合金)由于其特有的超弹性和形状记忆效应, 一直以来受到学者和工程界人士广泛关注, 且已有诸多成功的工程应用案例.为了进一步拓展该类合金的工程应用范围, 对其热--力和磁--力耦合循环变形和疲劳失效行为的宏微观实验观察和理论模型研究成果进行了综述. 总结了NiTi和NiTiX两类合金材料的温度诱发(即热致)的热--力耦合循环变形和疲劳失效行为研究的最新成果; 对以NiMnGa合金为代表的磁场诱发(即磁致)的磁--力耦合循环变形和疲劳失效行为的研究现状进行了评述; 提出并预测了未来的研究方向及发展趋势.      

冲角工况下列车车轮损伤机理研究

曲线通过和蛇行运动时将会在轮轨间产生一定的冲角,为探究列车车轮在冲角工况下的损伤机理,利用JD-1轮轨模拟试验机对列车车轮进行滚动接触疲劳试验.结果表明:在冲角工况下车轮试件磨痕的不同区域存在不同的损伤机理,按损伤机理的不同可以将其分为塑性堆积区、疲劳损伤区和磨损区三个区域.在应力发生剧烈变化且应力方向由高应力区指向低应力区的区域将会出现材料的塑性堆积,并且在堆积处产生疲劳裂纹.滚动接触下的疲劳裂纹可以萌生于表面和亚表面,在较强应力作用下,车轮材料的晶粒发生了明显的细化,在横截面上呈现出纤维状组织.     

FATIGUE GROWTH MODELING OF MIXED-MODE CRACK IN PLANE ELASTIC MEDIA

This paper presents an extension of a displacement discontinuity method with cracktip elements （a boundary element method） proposed by the author for fatigue crack growth analysis in plane elastic media under mixed-mode conditions. The boundary element method consists of the non-singular displacement discontinuity elements presented by Crouch and Starfield and the crack-tip displacement discontinuity elements due to the author. In the boundary element implementation the left or right crack-tip element is placed locally at the corresponding left or right crack tip on top of the non-singular displacement discontinuity elements that cover the entire crack surface and the other boundaries. Crack growth is simulated with an incremental crack extension analysis based on the maximum circumferential stress criterion. In the numerical simulation, for each increment of crack extension, remeshing of existing boundaries is not required because of an intrinsic feature of the numerical approach. Crack growth is modeled by adding new boundary elements on the incremental crack extension to the previous crack boundaries. At the same time, the element characteristics of some related elements are adjusted according to the manner in which the boundary element method is implemented. As an example, the fatigue growth process of cracks emanating from a circular hole in a plane elastic plate is simulated using the numerical simulation approach.     

一种基于耗散能计算的高周疲劳参数预测方法

在热力学框架下,基于薄板假设,建立金属材料薄板试样在高周疲劳载荷作用下的热传导方程,将试样温度场数据和实时载荷信号导入,准确计算与高周疲劳损伤相关的单个循环内耗散能. 基于该方法,以316L不锈钢材料为例,通过实时监测试样不同应力水平下高周疲劳破坏全过程中耗散能的变化,拟合出耗散能-疲劳寿命曲线,呈现与传统的应力-疲劳寿命曲线相同的规律;提出一种新的预测高周疲劳极限的能量法,确定的疲劳极限与实验值相近.     

自动扶梯事故典型案例分析

 根据断口特征和受力状态分析,探讨了某品牌自动扶梯驱动主机与座板联接螺栓的疲劳破坏原因. 该螺栓疲劳断裂很可能缘于驱动主机系统的异常振动以及螺栓长度不足导致螺栓与座板啮合段螺纹根部的应力高度集中. 电机系统动力学特性分析进一步表明:系统之所以发生异常振动,缘于制造商对该系统联接方式进行的不当设计变更.     

等离子喷涂层接触疲劳失效模式及失效机理的研究

研究了等离子喷涂层在不同应力水平下的接触疲劳失效模式与声发射幅值的对应关系,并分析了涂层的接触疲劳失效机理.结果表明:声发射幅值与接触应力的大小无明显的关系,根据疲劳失效时的声发射幅值可以判断涂层接触疲劳失效模式,幅值为87～93 dB时易发生剥落或分层失效,幅值为78～83 dB易发生点蚀失效.涂层表面微凸体与轴承球滚压接触产生黏着磨损以及涂层、磨粒、轴承球三者形成的三体磨料磨损是点蚀失效产生的主要原因.剥落失效主要与涂层表面微观缺陷处裂纹的萌生、扩展以及表面磨损行为有关.层内分层失效是由涂层内部最大剪切应力控制的,而界面分层失效主要是由涂层与基体的低结合强度、热失配以及界面剪切应力造成的.     

CrMoV合金钢的微动疲劳实验研究

本文利用一种自行设计的微动疲劳实验装置研究CrMoV合金钢的微动疲劳特性。作者研究了接触压力对材料微动疲劳寿命的影响规律,得到了研究条件下CrMoV合金钢的接触压力阈值。当接触压力较小时,微动桥压块与试件表面间有相对滑动,微动疲劳寿命随接触压力的增加快速下降;当接触压力达到或超过阈值62.5MPa时,微动疲劳寿命达到最低值并不再随接触压力的增加而下降。本文给出了CrMoV合金钢在接触压力为225MPa的微动疲劳曲线和零接触压力(纯)疲劳曲线,并给出微动疲劳强度与常规疲劳强度的关系,分析了微动疲劳破坏的微观机理。     

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.     

电镀铜薄膜力学性能的实验研究

电子器件中大量使用铜膜作为电信号通道,而且一般采用电镀工艺制成.铜膜的力学性能参数对于其热疲劳可靠性的研究非常重要.目前有关该材料的力学性能研究尚不充分,而且数据极为不统一.本文借助于纳米压痕法、声发射等实验手段对电镀铜薄膜的静态力学性能(包括弹性模量和屈服强度等)及疲劳性能进行了测试.结果发现,与大块铜材料相比,电镀铜薄膜的弹性模量低很多,但屈服强度与大块铜材料相当,甚至高出200％.同时,本文采用弯曲疲劳实验,以电阻变化为失效判据,对镀铜材料的疲劳性能进行了测试,获取了该材料不同失效判据下的疲劳寿命预测模型的系数.