不同类型过载下Ⅰ型疲劳裂纹的扩展行为

研究了Ⅱ、Ⅲ型过载对Ⅰ型疲劳裂纹扩展行为的影响并与Ⅰ型过载进行比较．结果表明：单周Ⅱ、Ⅲ型过载也延迟了其后的Ⅰ型疲劳裂纹扩展，但作用程度小于Ⅰ型过载；过载延迟效应随过载时基础载荷的降低和过载比的加大而增强，在近门槛区过载表现为疲劳裂纹扩展停止、疲劳门槛提高，在高基础载荷过载时疲劳裂纹则延缓、减速扩展．过载延迟行为主要由裂尖尾迹塑性诱导裂纹闭合和裂尖附近残余压应力状态引起。     

喷丸强化残余应力对AISI304不锈钢疲劳裂纹扩展行为的影响

目的 探究喷丸强化残余压应力对AISI 304不锈钢疲劳裂纹扩展行为的影响规律.方法 建立并联合紧凑拉伸(CT)试样三维有限元模型和对称胞元喷丸有限元模型,发展一套多步骤数值模拟方法.首先,建立AISI 304不锈钢CT试样的三维有限元模型,模拟不同外加交变载荷工况下的疲劳裂纹扩展过程.基于线弹性断裂力学理论,利用裂纹闭合技术,计算不同裂纹长度对应的应力强度因子范围,采用修正的Paris公式计算疲劳裂纹扩展速率,并通过试验数据对计算结果进行考核.其次,建立多弹丸分层逐次冲击靶面的对称胞元喷丸有限元模型,模拟100％和200％喷丸覆盖率下的残余应力场,并通过试验数据对该对称胞元喷丸有限元模型的有效性进行验证.最后,将喷丸强化诱导的残余应力场以读写外部文件的方式导入CT试样三维有限元模型,模拟在内部残余应力场和外部交变载荷共同作用下的疲劳裂纹扩展行为.结果 对于相同的喷丸工况,保持外加载荷比不变而减小最大外加载荷,或者保持最大外加载荷不变而减小外加载荷比,喷丸强化诱导的残余压应力对疲劳裂纹扩展的抑制作用愈加显著.对于相同的外加载荷工况,200％喷丸覆盖率工况比100％喷丸覆盖率工况更能有效降低AISI 304不锈钢的疲劳裂纹扩展速率.结论 喷丸强化诱导的残余压应力场能够有效抑制AISI 304不锈钢的疲劳裂纹扩展.     

喷丸强化对车辆传动齿轮裂纹扩展影响的研究综述

疲劳断裂是重载车辆传动齿轮的主要失效形式之一,齿轮底部疲劳裂纹的扩展将缩短车辆传动系统的服役寿命,严重时会导致车辆发生安全事故。延缓裂纹扩展的主要方法是在传动齿轮的表面引入一定大小的残余压应力。喷丸技术是一种冷加工表面强化处理工艺,该技术利用高速弹丸冲击材料表面,使零件表层产生塑性应变的同时,在表面和内部引入残余压应力,从而使裂纹闭合的能力得到强化,达到延缓裂纹扩展的强化效果。为了更好地揭示喷丸引入的残余压应力对疲劳裂纹扩展的影响,首先综述了传动齿轮表面疲劳裂纹产生的原因以及疲劳裂纹的扩展行为对重载车辆服役的影响。从强度因子、J积分以及裂纹闭合效应出发,介绍了传动齿轮表面疲劳裂纹扩展的理论以及残余压应力与疲劳裂纹扩展速率之间的关系。其次概述了目前国内外常用的新型有益于将残余拉应力转化为残余压应力的微粒子喷丸、激光喷丸、超声喷丸方法,并与传统机械喷丸技术相比较,阐述了新型喷丸表面强化技术的优缺点。此外,从数值模拟和试验结果两方面,论述了喷丸速度、喷丸角度、弹丸直径、弹丸材质和覆盖率5个工艺参数对在传动齿轮表面引入残余压应力的改善影响。最后对喷丸强化技术在传动齿轮上的多目标参数优化以及多尺度残余压应力与疲劳性能进行了展望,并结合重载车辆的使用需求,强调需要创新设计一种效率高、价格低、适用性广的喷丸技术,以进一步推动喷丸强化在延缓疲劳裂纹扩展方面的持续发展。     

高能喷丸制备具有表面梯度结构的Ti-6Al-4V合金的疲劳裂纹扩展行为（英文）

通过高能喷丸(HESP)在Ti-6Al-4V合金表面成功制备梯度结构，并研究其对疲劳裂纹扩展的影响。采用光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和X射线衍射仪对HESP过程中的显微组织和残余应力演变进行表征。结果表明，材料表面形成的梯度纳米结构具有220μm深度的残余压应力层。梯度纳米结构的产生能改善合金的强塑性匹配。最大残余压应力产生于次表层，且随着喷丸时间的增加逐渐增大。HESP处理有效降低裂纹扩展速率，提高疲劳裂纹扩展寿命。残余压应力可降低裂纹尖端的有效应力强度因子范围(ΔK’_eff)，从而产生裂纹闭合效应并延缓裂纹扩展。同时，晶粒细化引起的晶界增加、有效滑移长度减小和裂纹尖端塑性区的协同作用也会使裂纹扩展阻力增大。     

循环载荷下裂尖形变规律的实验研究

应用散斑干涉技术，在常幅载荷下对疲劳裂纹扩展过程中的一个循环周期内，不同加载阶段的裂尖应变、裂纹张开位移进行了原位测量，给出了裂纹闭合对裂纹张开位移及裂尖形变的影响规律。结果表明：由于裂纹闭合和残余压应力的存在，疲劳裂尖应变与外加载荷的平方并不成正比，在加载初期，裂纹处于闭合状态，裂尖应变无明显变化，随着载荷的增加，裂纹逐渐由远离裂尖处张开并向裂尖发展，一旦裂纹完全张开，裂尖应变迅速增加，对裂尖应力-应变状态的分析表明，裂尖材料的应力-应变关系类似于光滑试样低周拉压疲劳应力-应变滞后关系。     

超声喷丸对工业纯Zr疲劳裂纹扩展行为的影响

对厚度为2.0 mm的工业纯锆板材进行双面超声喷丸（USSP）处理,研究了超声喷丸（USSP）对微观组织演变和疲劳裂纹扩展（FCG）行为的影响。通过光学显微镜、激光共聚焦显微镜、背散射电子衍射仪、透射电子显微镜和X射线衍射仪分别对微观结构演变进行表征。采用紧凑拉伸试样进行FCG试验,对断口形貌和裂纹扩展路径进行分析。结果表明,USSP处理后形成了具有约250 μm深度残余压应力的表面梯度结构,USSP试样比原始试样表现出更高的强度和表面粗糙度。值得注意的是,USSP-8 min和USSP-12 min试样的疲劳裂纹扩展寿命比原始试样分别提高了28.1%和50.9%。USSP处理有助于提高疲劳裂纹扩展抗力,进而在一定程度上降低疲劳裂纹的扩展速率。FCG性能的提高可归因于残余压应力和晶粒细化的共同作用,残余压应力增强了裂纹闭合效应,降低了有效应力比。同时,晶粒细化使晶界比例增加,循环塑性区尺寸减小,从而有利于抵抗裂纹扩展。     

热处理加热制度与40Cr钢近门槛区疲劳过载效应

研究了近门槛区单周过载对40Cr钢热处理组织I型疲劳门槛的影响。实验表明：四种组织过载后疲劳门槛均会提高，其幅度随过载比的加大和材料屈服强度的降低而增加；过载效应是裂尖钝化、裂尖附近残余压应力和裂尖尾部塑性诱导闭合等共同作用的结果。控轧控冷组织与正火组织、锻热淬火组织与调质组织分别对比，各自具有相近的疲劳裂纹过载效应。     

粗糙度引入的Ⅱ型裂纹扩展的剪切阻力

通过混合(Ⅰ/Ⅱ)型疲劳裂纹扩展门槛值和裂纹闭合效应的测试.获得双相钢纯Ⅱ型疲劳门槛值是其纯Ⅰ型的1.9倍:其纯Ⅱ型分枝裂尖正应力强度因子范围为纯Ⅰ型的2.2倍说明由同一粗糙度引入裂纹面的剪切阻力,对Ⅱ型裂纹扩展的阻碍程度将大于此粗糙度诱导裂纹闭合效应,降低裂尖Ⅰ型有效驱动力的贡献,即粗糙度对Ⅱ型裂纹扩展的阻碍比对Ⅰ型的大Ⅱ型分量在近门槛值的疲劳裂纹生长过程中能够起两个重要的作用:(1)增大裂尖塑性以至加速裂纹生长;(2)引入裂纹表面接触以至减小裂纹扩展速率本文通过裂纹闭合效应的测试,定量估算了剪切阻力,Ⅱ型摩擦剪切应力强度因子范围(△K_(Ⅱ.f))要远远大于纯Ⅰ型的闭合应力强度因子范围(△K_(ICl)),说明粗糙度的引入加大了第二种作用,从Ⅱ型裂纹角度出发起到了屏蔽裂尖的功能.     

ROUGHNESS-INDUCED SHEAR RESISTANCE OF MODE Ⅱ CRACK GROWTH

通过混合(Ⅰ/Ⅱ)型疲劳裂纹扩展门槛值和裂纹闭合效应的测试.获得双相钢纯Ⅱ型疲劳门槛值是其纯Ⅰ型的1.9倍:其纯Ⅱ型分枝裂尖正应力强度因子范围为纯Ⅰ型的2.2倍说明由同一粗糙度引入裂纹面的剪切阻力,对Ⅱ型裂纹扩展的阻碍程度将大于此粗糙度诱导裂纹闭合效应,降低裂尖Ⅰ型有效驱动力的贡献,即粗糙度对Ⅱ型裂纹扩展的阻碍比对Ⅰ型的大Ⅱ型分量在近门槛值的疲劳裂纹生长过程中能够起两个重要的作用:(1)增大裂尖塑性以至加速裂纹生长;(2)引入裂纹表面接触以至减小裂纹扩展速率本文通过裂纹闭合效应的测试,定量估算了剪切阻力,Ⅱ型摩擦剪切应力强度因子范围(△K_(Ⅱ.f))要远远大于纯Ⅰ型的闭合应力强度因子范围(△K_(ICl)),说明粗糙度的引入加大了第二种作用,从Ⅱ型裂纹角度出发起到了屏蔽裂尖的功能.     

喷丸对H13钢单边带缺口试样疲劳裂纹扩展行为的影响

喷丸工艺通过改变试件的表面形貌、微观组织及残余应力等表面完整性可以影响裂纹的萌生和扩展;对于存在缺陷的试件,喷丸的作用机制和影响结果有所不同。采用白光干涉仪、SEM、XRD及显微硬度计等对单边带缺口的H13钢薄板试样喷丸前后的表面完整性进行了测定。并借助原位SEM开展了系列裂纹扩展试验,分析了喷丸对试样疲劳寿命、裂纹扩展速率以及疲劳断口特征的影响。研究结果表明,虽然残余压应力诱发裂纹闭合,但由于喷丸后表面粗糙度的大幅提高增强了缺口效应,表面加工硬化使得韧性有所降低,以及残余应力在加载过程中发生松弛等因素,喷丸后单边带缺口试样的裂纹萌生过程缩短,疲劳寿命降低,且裂纹扩展速率的变化较小。喷丸前后疲劳断口形貌均为准解理特征,喷丸后断口近表面处的撕裂棱特征消失。     

FATIGUE CRACK GSOWTH AND CRACK CLOSURE OF SIMULATED OVER-MATCHED WELDED JOINTS

1.~onItiswellknownthatthefatigUefailureisoneofthecornmonfailuresinmetalstructuresincludingweldedstmctures.VariousformulaehavebeensuggestedtopredictfatigUecrackgrowthrates,andthosewidelyusedinpracticeareasfollows:da/dN=cI(AK)acda/dN=c2(ACOD)?/dN=c3(AJ)%FortnulaeaboverelatedfatigUecrackgrowthrate(da/dN)eitherwiththerangeofstressintensityfactor(isK),orwiththerangeofcrackopeningdisplacement(ACOD),orwiththerangeofJ--intendvalue(6J)ofafatigUeloadcycle.However,sincethediscoverybyW.Elb..['…     

裂纹尖端塑性区对304不锈钢脉冲电流止裂的影响

分别对裂纹尖端附近有塑性区和无塑性区的304不锈钢脉冲电流止裂试样进行了显微观察和纳米压痕试验。结果表明,有裂纹尖端塑性区的304不锈钢,在脉冲电流止裂后,止裂处发生了相变和再结晶,在温度场和应力场共同作用下分别形成了凝固区、细晶区和形变诱发马氏体区;而无裂纹尖端塑性区的304不锈钢,裂纹止裂处只有凝固区。纳米压痕试验表明304不锈钢的疲劳裂纹尖端处具有较大的残余应力,且残余应力随着远离裂纹尖端而迅速衰减;经过脉冲电流止裂后,裂纹尖端形变诱发马氏体的产生导致该处体积膨胀,产生相变应力,增大了裂纹止裂处周边的压应力值,这有利于抑制裂纹的二次扩展。     

焊接残余应力对7N01铝合金疲劳裂纹扩展影响

焊接残余应力作为平均应力影响裂纹扩展. 将残余应力与外载平均应力分离,通过构建典型焊接残余应力场,借助扩展有限元计算焊接残余应力场的应力强度因子. 开展了紧凑拉伸（CT）试样的疲劳扩展试验,基于Walker公式将裂纹尖端平均应力强度因子K_m（静态量）和应力强度因子幅值ΔK（动态量）分离,获得疲劳裂纹扩展速率da/dN与K_m及ΔK的非线性关系. 结果表明,不同外载荷下,应力比与裂纹长度为非线性关系;残余应力对裂纹扩展存在尺度效应:CT试样裂纹长度小于2 mm时,残余应力场明显影响疲劳裂纹扩展速率;当裂纹长度大于2 mm,外载荷为主导因素.     

预应变对工业纯钛TA2疲劳裂纹尖端应变场的影响

钛制承压设备在制造和服役过程中会产生塑性变形,影响其抗疲劳性能。为了研究预应变对工业纯钛TA2疲劳裂纹扩展行为的影响,本文对原始材料、预应变量为10%、20%和30%的材料进行疲劳裂纹扩展试验,结合数字图像相关(Digital image correlation, DIC)技术获取裂纹尖端应变场,研究预应变对裂纹尖端应变场的影响。结果表明：随着预应变量的增加,稳态疲劳裂纹扩展阶段的扩展速率减小,裂纹张开位移减小,裂纹张开载荷增大,裂纹尖端塑性区、塑性变形量以及循环塑性应变累积量均减小。因此预应变抑制了裂纹尖端的塑性变形及循环塑性累积,致使裂纹闭合效应愈加明显,从而抑制了裂纹的扩展。研究结果对钛制承压设备的安全评定具有参考意义。     

EFFECT OF CRACK CLOSURE ON SLOW PROPAGATION IN DUAL-PHASE STEEL

The effect of ferrite content in ferrite-martensite dual-phase steel on the initiation and prop-agation of fatigue crack and the plastic deformation at crack tip has been studied.In the rangeof ferrite content from 24.2 to 41.5％,the optimum seems to be 33.8％,of which the crack ini-tiation will be prolonged,the threshold value increased,the propagation rate decreased and theclosure stress intensity factor increased.As the propagation force is described by effectivestress intensity factor,three steels with various ferrite contents will show the same propagationbehaviour on da/dN vs △ K_(eff)curve.It is shown that the closure effect increases with thedecrease in △K at the fatigue crack tip.When △K equals to △K_(th),the closure effect reachesa maximum value of0.7 in a dual-phase steel with 33.8％ferrite.     

ROUGHNESS-INDUCED SHEAR RESISTANCE OF MODE Ⅱ CRACK GROWTH

It is obtained in this paper that the fatigue threshold value of mode H was 1.9 times of that ofmode Ⅰ in dual-phase steel(DPS),and the normal stress intensity factor range oJ mode Ⅱbranch crack tip was 2.2 times of that of mode Ⅰ.Above results illustrate that the resistance ofmode Ⅱ crack growth was higher than that of mode Ⅰ,the former resulting fromroughness-induced shear resistance,the latter,crack closure.The mode Ⅱ component can play two important roles in near-threshold fatigue crackgrowth:(1)increasing crack tip plasticity which accelerates the crack growth and(2)intro-ducing crack surface contact and rubbing to reduce the crack propagation rate.By means ofcrack closure,the quantity of shear resistance was easily solved in this paper.The frictionshear stress strength factor range of mode Ⅱ,K_,is still much higher than the closure stressstrength factor range of mode Ⅰ,K_(Ⅰ,cl).This illustrated that the roughness enlarged the secondrole and played a role of shielding crack tip from mode Ⅱ crack.     

TRANSFORMATION OF RETAINED AUSTENITE IN CARBURIZED CASE DURING FATIGUE CRACK GROWTH

The morphology of the retained austenite in the carburized case of 20CrNiMo steel and itstransformation during fatigue crack propagation through the case were investigated by usingX-ray and TEM analysis.In the carburized case both film and block shaped retainedaustenite were found.Due to the crystallographic orientation relationship at the interface,thefatigue crack is inclined to pass through the block shaped retained austenite and thereby stim-ulates its strain-induced martensitie transformation.During the process of the fatigue frac-ture,most of the retained austenite structures on the crack path are transformed into themartensite,and the untranaformed parts on the fracture surface remain less than 6%.Thetransformation of the retained austenite,which is restrieted mainly within the plastic zone,oc-curs only during the proeess of fracture,and is independent of the magnitudes of the externalstress,stress ratio and cyclic number.The volume expansion accompanying the transforma-tion creates an additional residual displacement of about 0.44μm on fracture surfaces,whichis equivalent to the magnitude of the plasticity-induced residual displacement.The phasetransformation induced fatigue crack closure is believed to be an important factor affectingthe fatigue crack behaviors in the high carbon laver of the carburized case.