用控制柔度法研究高温低循环疲劳裂纹扩展规律

本文采用控制柔度的方法对GH36合金做600℃空气介质条件下的低循环疲劳裂纹扩展速率测定试验,以弹塑性断裂力学参量J积分为控制参数进行整理,得出 da/dN=1.26×10.(-4)(△J)~(1.96)的关系式,数据处理给出了在循环加载条件下J积分(AJ_t,△J_e,△J_p)对引伸仪标距点位移δ的变化规律。分析了应力强度因子△K作为裂纹扩展控制变量的适用性和局限性。断口分析表明,在疲劳—蠕变交互作用下的积累损伤使断口形貌由穿晶条纹机制变为以蠕变特征为主的沿晶机制。     

INVESTIGATION ON LCF CRACK GROWTH RATE WITH CONTROLLING DEFLECTION AT HIGH TEMPERATURE

本文采用控制柔度的方法对GH36合金做600℃空气介质条件下的低循环疲劳裂纹扩展速率测定试验,以弹塑性断裂力学参量J积分为控制参数进行整理,得出 da/dN=1.26×10.(-4)(△J)~(1.96)的关系式,数据处理给出了在循环加载条件下J积分(AJ_t,△J_e,△J_p)对引伸仪标距点位移δ的变化规律。分析了应力强度因子△K作为裂纹扩展控制变量的适用性和局限性。断口分析表明,在疲劳—蠕变交互作用下的积累损伤使断口形貌由穿晶条纹机制变为以蠕变特征为主的沿晶机制。     

论塑性应变区中裂纹的扩展

实际工程结构和零件的弹塑性断裂,包括脆性断裂和疲劳断裂,经常发源干应力集中超过屈服限的塑性应变区中的小裂纹。甚至用来模拟切口地区中疲劳断裂的光滑试件应变疲劳实验中,寿命也主要是由微裂纹在循环塑性应变介质中的扩展速率决定的。此外,断裂韧度K_(1c)和扩展速率da/dN在一定条件下也和宏观裂纹顶端塑性区中微裂纹的扩展有关。因此,塑性应变区中裂纹扩展的分析方法是弹塑性断裂力学迫切需要解决的课题。但目前用于弹塑性条件下测定K_(1c)的J积分方法局限于考虑只有韧带屈服的深裂纹试件的弹塑性分析。本文根据J积分守恒性和塑性应力应变集中近似分析法,J积分的形变功率或能量率近似分析法,因次分析法等,从不同角度导出了塑性区中裂纹的J积分近似公式J=2πY~2α∫σde。应用这个公式于应变裂纹容限分析时,可以导出由大量含小裂纹宽板屈服后断裂实验归纳出的张开位移经验关系,例如Wells关系δ=2πae和Burdekin关系Φ≡δ/2παe_Y=(e/e_Y)-0.25。应用这个公式于应变疲劳寿命分析,则导出了由大量应变疲劳寿命实验归纳出的Coffin-Manson关系,并提出了能在更宽的寿命范围内进行疲劳寿命计算和分析的总形变功判据。在应变裂纹容限和应变疲劳寿命分析中的这些推导结果和大量实验数据归纳出的经验关系的一致性证明了本文所提出的塑性区中裂纹J积分近似公式的可靠性。当然,这公式的近似程度还需要今后用有限元法计算来进一步核实。     

16MnR钢在不同条件下的疲劳裂纹扩展规律

采用压力容器用16MnR热轧钢不同缺口尺寸、不同厚度的紧凑拉伸 (CT)试样, 进行了不同温度、不同应力比条件的一系列疲劳裂纹扩展实验, 得到了相应实验条件下的疲劳裂纹扩展速率. 讨论了高温环境、缺口半径、应力比及试样厚度对疲劳裂纹扩展行为的影响规律. 结果表明: 16MnR钢在环境温度为150和300 ℃时的疲劳裂纹扩展速率比25和425 ℃时低, 300℃时疲劳裂纹扩展速率最低, 300℃以上时随温度的升高裂纹扩展速率增大; 缺口半径的大小对初期疲劳裂纹扩展有较大的影响; 应力比对16MnR钢的疲劳裂纹扩展行为没有影响; 疲劳裂纹扩展速率随试样厚度的增大而增大.     

Q345钢断裂韧性和裂纹扩展速率研究

分别对Q345钢J积分值和裂纹扩展速率进行了测定.测定了其JR曲线lnJ=5.75 0.67ln△a,J1c=184.5 kJ/m2;疲劳裂纹扩展速率方程为da/dN=3.25×10-12(△k)4.分析了显微组织对断裂韧性和裂纹扩展速率的影响,并用扫描电镜对断口进行了观察.     

INVESTIGATION OF FATIGUE CRACK GROWTH RATE FOR STEEL 16Mn

本文根据三点弯曲试样的J积分计算式及da/dN=C_1(ΔJ)~r的实验事实,导出了三点弯曲试样用ΔJ表征的从线弹性直至全面屈服范围内疲劳裂纹亚临界扩展速率表达式其中高周疲劳近似为它和Paris关系是一致的;而高应变疲劳则为它和Coffin-Manson关系相当。16Mn钢在空气和饱和H_2S水溶液介质中的实验结果表明上述公式是正确的,饱和H_2S水溶液明显加速了疲劳裂纹的亚临界扩展。     

16Mn钢疲劳裂纹扩展速率的研究

本文根据三点弯曲试样的J积分计算式及da/dN=C_1(ΔJ)~r的实验事实,导出了三点弯曲试样用ΔJ表征的从线弹性直至全面屈服范围内疲劳裂纹亚临界扩展速率表达式其中高周疲劳近似为它和Paris关系是一致的;而高应变疲劳则为它和Coffin-Manson关系相当。16Mn钢在空气和饱和H_2S水溶液介质中的实验结果表明上述公式是正确的,饱和H_2S水溶液明显加速了疲劳裂纹的亚临界扩展。     

腐蚀疲劳过程中裂尖阳极溶解对裂纹扩展的作用

在模拟腐蚀疲劳裂尖介质中,分别用铂丝和40CrNiMo钢为辅助电极测定了在不同拉伸速率下中温回火的40CrNiMo钢的腐蚀电流密度i_(a)与应变速率、塑性应变量的关系,其结果为:利用疲劳裂纹尖端应变的弹塑性有限元计算,得到腐蚀疲劳裂尖阳极溶解引起的裂纹扩展与△K的关系,结果表明:中温回火的40CrNiMo钢在3.5％NaCl水容液中裂尖阳极溶解对腐蚀疲劳裂纹扩展的直接贡很小,阳极溶解的主要作用是影响为裂尖断裂区氢致开裂提供氢原子的阴极过程。     

显微组织对珠光体钢疲劳裂纹扩展速率的影响

用金相显微镜、扫描电镜(SEM)及带有切口的三点弯曲试样研究了显微组织对珠光体钢疲劳裂纹扩展速率的影响。结果表明:共析珠光体钢中的疲劳裂纹扩展速率da/dN取决于珠光体层片间距。细化珠光体层片间距可有效减缓共析珠光体钢中的疲劳裂纹扩展速率,尤其在高应力场强度因子幅值△K作用的情况下;珠光体钢的疲劳裂纹扩展速率与断裂前的△K之间的关系为:da/dN=6.94×10~(-9)(△K)~(2.919) (mm·c~(-1));显微组织中存在一定量的先共析铁素体可显著降低珠光体钢中疲劳裂纹的扩展速率。     

FATIGUE CRACK GROWTH FOR Ti-6Al-4V ALLOY IN WATER

用断裂力学方法研究了Ti-6Al-4V合金退火板材在蒸馏水中的疲劳裂纹扩展,测定了疲劳裂纹扩展速率dα/dN同应力强度因子幅度△K,温度和频率的关系。同时进行了空气中的对比疲劳试验。并用扫描电镜观察了疲劳断口形貌。实验表明,疲劳裂纹的扩展在水中比在空气中快。其扩展速率随温度升高而降低,随频率降低而增加。在10Hz频率下裂纹扩展速率同温度的关系可表示为(dα/dN)=Ae~(Q/RT)(△K)~(2.7),其中Q=6.2kJ/mol。疲劳断裂面上的延性条纹和裂隙条纹同载荷循环有近似一一对应关系;而脆性条纹的间距则比相应的宏观扩展速率大几倍。本文认为,水中疲劳裂纹扩展的加快,是水同钛合金裂纹表面的反应产生的氢所造成的;温度和频率对疲劳裂纹扩展速率的影响,可以用应变感生氢化物机制得到说明;进而提出,应变感生氢化物的形成是裂纹扩展的速率控制过程。     

Ti-6Al-4V合金在水中的疲劳裂纹扩展

用断裂力学方法研究了Ti-6Al-4V合金退火板材在蒸馏水中的疲劳裂纹扩展,测定了疲劳裂纹扩展速率dα/dN同应力强度因子幅度△K,温度和频率的关系。同时进行了空气中的对比疲劳试验。并用扫描电镜观察了疲劳断口形貌。实验表明,疲劳裂纹的扩展在水中比在空气中快。其扩展速率随温度升高而降低,随频率降低而增加。在10Hz频率下裂纹扩展速率同温度的关系可表示为(dα/dN)=Ae~(Q/RT)(△K)~(2.7),其中Q=6.2kJ/mol。疲劳断裂面上的延性条纹和裂隙条纹同载荷循环有近似一一对应关系;而脆性条纹的间距则比相应的宏观扩展速率大几倍。本文认为,水中疲劳裂纹扩展的加快,是水同钛合金裂纹表面的反应产生的氢所造成的;温度和频率对疲劳裂纹扩展速率的影响,可以用应变感生氢化物机制得到说明;进而提出,应变感生氢化物的形成是裂纹扩展的速率控制过程。     

扭转预应变对Q345R钢低周疲劳性能影响的研究

采用轴向应变控制法、MTS809电液伺服疲劳试验机开展了扭转预应变后压力容器用Q345R钢的低周疲劳试验,获得了扭转预应变下材料的循环响应特征、应力-应变关系以及疲劳寿命等低周疲劳试验数据。根据应变-寿命曲线和塑性应变能-寿命曲线对试验钢的疲劳寿命进行了预测,两种方法预测结果一致。结果表明:扭转预应变对Q345R钢的疲劳寿命有明显的影响,但对其循环响应特征无明显影响,试验钢具有循环硬化特征。经过预扭转试件的裂纹扩展区出现韧窝,预扭转加速了裂纹扩展速率并增加了最后断裂区面积;而扩展区相应减小,这是预扭转导致疲劳寿命降低的原因。     

不锈钢在扭转/拉伸复合载荷下的低周疲劳裂纹扩展

研究了从SUS316NG不锈钢圆捧试样的环状预裂纹开始的低周疲劳裂纹扩展行为，分析了扭转／拉伸复合加载时不同载荷比对弹塑性疲劳裂纹扩展的影响．用J积分的指数方程表达了简单加载及复合加载的裂纹扩展速率．对于同样的J积分范围值，Ⅰ型载荷下的裂纹扩展速率最高，而Ⅲ型载荷下的速率最低．裂纹断口在高应力水平下为宏观平坦，在复合加载条件下的疲劳断口上观察到了疲劳条痕，同Ⅰ型加载条件下的相同，疲劳条痕间距与裂纹扩展速率二者数值相等．     

C—Si—Mn—B贝氏体钢的疲劳裂纹扩展特性

本文研究了C－Si-Mn-B贝氏体钢的疲劳裂纹扩展特性。结果表明,在强度相近的情况下,含1．8％Si钢的门槛值△Kth较0．6％Si钢的低,而且钢中的残余奥氏体对提高△Kth值并非有利。1．8％Si钢的△Kth值随钢的屈服强度降低而提高,然而450℃回火后,虽然△Kt提高,但裂纹扩展速率也显著提高,这表明450℃回火贝氏体脆性促进了疲劳裂纹的扩展。在应力强度因子较高的范围内,疲劳裂纹扩展速率受钢的断裂韧性影响,断裂韧性高,裂纹扩展速率低。     

高Co-Ni钢变幅冲击疲劳裂纹扩展行为

研究了高Co-Ni钢单边缺口三点弯曲试样在变幅冲击疲劳载荷下的裂纹扩展行为。结果表明,从高能变载到低能时,裂纹扩展a-N曲线出现迟滞平台,裂纹扩展速率出现迟滞;迟滞延长寿命△N与变幅能量差△A间呈幂函数关系;裂纹扩展出现迟滞与裂纹尖端闭合效应有关。从低能变载到高能后,扩展速率按对应能量恒幅冲击时的扩展速率扩展。     

小幅载荷在A537钢疲劳裂纹扩展过程中作用的研究

采用Ａ５３７钢单边缺口试样，研究了以不同方式叠加在主载荷△Ｐ上的小幅载荷在疲劳裂纹扩展过程中的作用，并采用激光散斑技术测量了循环加载过程中的裂纹闭合效应。结果表明：３０％△Ｐ以下的小幅载荷叠加在主载荷底部时，对由主载荷引起的裂纹扩展速率ｄａ／ｄＮ几乎没有影响，３０％△Ｐ以上的小幅载荷可使裂纹扩展速率增加。叠加在主载荷顶部的各小幅载荷均可使裂纹扩展速率加大。通过对加载条件下裂纹闭合效应的测量，并结合裂尖的应力应变状态的变化进行分析认为：小幅载荷对裂纹扩展速率的影响受裂纹闭合程度的制约，其损伤作用只体现在裂尖材料产生不可逆塑性形变的外加载荷范围内。     

加载频率对中温环境下疲劳裂纹扩展的影响

由于材料或环境的因素,加载频率对疲劳裂纹扩展速率将产生很大的影响,以工业Ｔｉ为对象,研究了中等温度环境下疲劳裂纹扩展性能及加载频率的影响,并用弹、粘塑性理论对其进行了理论上的探讨,基于该理论导出的本构关系和利用有限元方法,对裂纹尖端的应力应变进行了分析,结果表明,粘塑性应变范围和Ｊ积分范围可作为裂纹扩展的控制参数,能很好地反映加载频率对裂纹扩展的影响。     

P92钢630°C下的高温低周疲劳行为分析

P92钢作为新一代耐热钢,其服役温度正随着超超临界机组的不断推广而逐渐提高,而高温疲劳性能对保证电厂的安全运行具有重大作用.文中通过P92钢630℃下的疲劳试验,研究了其在不同应变幅和应变速率下的疲劳寿命以及应力—应变关系,并结合断口形貌分析了P92钢的断裂机理.结果表明,P92钢属于高温循环软化材料,其疲劳寿命随塑性应变幅的增大而呈指数下降,同时应变速率的增大会导致其疲劳寿命的增大.P92钢疲劳断口分为疲劳源区、裂纹扩展区以及断裂区.高应变幅下蠕变孔洞和二次裂纹的增加是导致其疲劳寿命降低的主要原因.     

P92钢630 ℃下的高温低周疲劳行为分析

P92钢作为新一代耐热钢,其服役温度正随着超超临界机组的不断推广而逐渐提高,而高温疲劳性能对保证电厂的安全运行具有重大作用.文中通过P92钢630℃下的疲劳试验,研究了其在不同应变幅和应变速率下的疲劳寿命以及应力—应变关系,并结合断口形貌分析了P92钢的断裂机理.结果表明,P92钢属于高温循环软化材料,其疲劳寿命随塑性应变幅的增大而呈指数下降,同时应变速率的增大会导致其疲劳寿命的增大.P92钢疲劳断口分为疲劳源区、裂纹扩展区以及断裂区.高应变幅下蠕变孔洞和二次裂纹的增加是导致其疲劳寿命降低的主要原因.     

A710钢断裂韧性与再热裂纹扩展量的模拟分析

本文分析了焊后再热裂纹扩展量与断裂韧性的关系,建立了A710钢J积分断裂韧性随裂纹扩展量△a变化的关联数模,从而为进一步研究材料断裂机理,为含损压力容器临界裂纹尺寸提供了较为可靠的设计判据。