某迫击炮身管寿命分析及预测

针对某型迫击炮身管材料由炮钢更换为钛合金后的身管寿命问题,通过对炮钢与钛合金材料的疲劳性能试验与理论分析,评估两种材料下的身管疲劳寿命。并以最大允许发射速度,在实弹射击试验及数据拟合分析的基础上,建立了火炮初速随射弹发数的表征关系,依据国军标判据预测了钛合金身管的弹道寿命。     

低周疲劳寿命的测试及影响因素

<正> 一、前言寿命高于10~6疲劳称为高周疲劳。传统的疲劳拉杆用来测定对应于10~6～10~7破坏周次的极限强度(σ_(-1)),它适用于反映承受高循环周次、低载荷和低裂纹扩展速率的零构件的应力疲劳特征。但是对大部分武器零件来说,承受的却是大应力、低循环周次。所谓大应力,系指弹爆瞬间零件的某些应力集中部位接近或者超过材料的屈服强度,使之成为应变疲劳,所以裂纹扩展速率较快(10~(-3)～10~(-2)毫米/次),寿命亦低(约10~4次)。所谓低循环周     

工程机械用800 MPa低合金高强度钢焊接接头低周疲劳性能研究

针对大型工程机械用800 MPa低合金高强度钢及其焊接接头,进行低周疲劳性能研究。试验在常温下进行,对称三角波加载。试验结果表明,母材两个轧制方向的应变疲劳寿命没有明显差别,焊接接头的疲劳寿命偏低。焊接接头的局部软化是应变集中,导致应变疲劳寿命降低的主要原因。应变疲劳断口有明显的条纹特征,母材疲劳断口上伴有与条纹平行的二次裂纹,焊接接头的疲劳断口条纹清晰且宽度较细。试验确定的循环应力应变特性参数和应变疲劳寿命参数有明显的相关关系。     

静载拉伸和低周疲劳下Q235钢磁声发射特性

为揭示应力与磁声发射的关系以及明确磁声发射与铁磁性金属材料疲劳状态的关系,建立Q235钢静载拉伸的力-磁耦合模型和低周疲劳寿命模型,开展磁声发射的应用与理论研究。从有限元仿真的角度分析静载拉伸下磁声发射信号产生机理,根据低周疲劳仿真结果设计磁声发射低周疲劳试验。通过自行搭建的试验平台,验证建立的静载拉伸模型和低周疲劳模型,研究静态拉伸和低周疲劳两种状态下的磁声发射信号规律。结果表明：在静载拉伸下,在弹性范围内磁导率随着拉应力的增大呈现出线性增大的趋势,导致试件上的损耗增大,同时磁声发射信号变弱,磁声发射信号的均方根电压和包络面积呈下降趋势;在低周疲劳下,Q235钢低周疲劳寿命可以通过Smith-Watson-Topper模型进行预测,且Q235钢磁声发射信号的振幅、脉冲计数特征参数随着循环周次的增大也呈现出下降的趋势;研究成果明确了应力对磁声发射的影响以及疲劳状态对磁声发射的影响,为磁声发射的特征提取与模式识别提供了理论参考依据。     

自紧载压低温处理厚壁圆筒的强度及疲劳寿命研究

将6支中小尺寸模拟管进行自紧载压低温处理,对3支精加工前后的小尺寸模拟管和3支精加工后的中尺寸模拟管分别进行弹性强度测试,将具有内表面预制裂纹的6支中小尺寸模拟管进行液压循环疲劳寿命试验。结果表明:当壁厚比为1.768、自紧度为0.8、模拟管材料屈服强度Rr0.1≥1 200 MPa时,精加工后模拟管实测强度为700~721 MPa(自紧压力为756~792 MPa);在循环压力600MPa下,6支模拟管都以穿透型形式泄漏破坏,最终疲劳寿命为2504~3499次。     

基于蒙特卡洛模拟的身管疲劳寿命加速试验与分析

为解决身管疲劳寿命试验时间长、费用高等问题,提出对身管进行加速寿命试验。基于蒙特卡洛方法对身管疲劳寿命的加速试验进行模拟,得到身管疲劳寿命的分布规律,同时对加速试验的基本假设进行验证,并估计出加速模型的参数。研究表明,身管的疲劳寿命在不同加速应力水平下均服从对数正态分布,加速因子与应力水平呈指数关系,通过加速模型估计的正常应力水平下身管疲劳寿命值与试验值之间的误差较小,验证了身管疲劳寿命加速试验的可行性。该研究为今后开展身管疲劳寿命的加速试验以估计身管疲劳寿命提供了一种理论方法。     

40CrNi2Si2MoVA钢冲击疲劳裂纹起始的超载效应

本文研究了超载对40CrNi2Si2MoVA超高强度钢冲击疲劳裂纹起始寿命的影响。结果表明,在一定范围内,拉伸超载可以延长冲击疲劳裂纹起始寿命;超载造成的残余应力是引起该钢超载效应的主要机制,而超载造成的材料性能变化对超载效应的贡献不大;超载后冲击疲劳裂纹起始寿命Ni与残余应力σ_R之间的关系可表示为:Ni=N_0~■·exp(λσ_R)。     

履带车辆传动系统主轴抗疲劳结构设计研究

为解决起步工况下履带车辆传动系统主轴低周疲劳失效的问题,基于主轴材料力学性能试验获得了塑性变形阶段真应力应变关系;以主轴实测扭矩为输入载荷分析了初始设计主轴的Mises应力分布状态,进一步研究了主轴结构参数对Mises应力、等效应变的影响规律;基于考虑平均应力效应的Morrow修正模型对主轴低周疲劳寿命进行了预测.研究结果表明:主轴最大Mises应力发生在右侧花键与退刀槽过渡区齿根位置,且最大Mises应力超过了材料的平均屈服极限,与主轴实际裂纹萌生位置一致.随着右侧光轴外径和圆角半径的增加,最大Mises应力和最大等效应变整体呈现递减的趋势.当主轴右侧光轴外径等于48 mm且圆角半径为10 mm时,最大Mises应力和等效应变最小,较初始设计主轴分别降低了8.3％和32.4％,主轴的低周疲劳寿命提高了5.5倍,最大应力位置发生在光轴与花键的过渡圆角位置.     

表面完整性对高强度钢疲劳寿命影响的试验研究

研究了高强度钢34CrNiMo6 的加工表面完整性对弯曲疲劳寿命的影响规律。疲劳试件的加工采用不同的切削参数,对加工表面完整性相异的试件进行疲劳试验。研究结果表明:残余应力是影响试件弯曲疲劳寿命的主要因素,残余压应力可获得高疲劳寿命;当表面粗糙度Ry >10 滋m 时,表面粗糙度对疲劳寿命的影响显著;加工硬化对高强度钢疲劳寿命有不利影响,疲劳寿命随表面硬度的增加而降低;采用小刀尖半径和低进给速度可提高高强度钢的疲劳寿命。     

基于能量耗散率的NEPE推进剂疲劳损伤分析

为研究NEPE推进剂在应变加载条件下的疲劳损伤演化,基于循环加载过程中的推进剂耗散能变化,利用能量耗散变化比对推进剂疲劳过程进行分析。通过4个应变幅值进行了单轴拉伸疲劳试验,得到不同应变幅值下NEPE推进剂疲劳寿命,并得到在不同加载周次下的耗散能。结果表明,这种能量法能够以直观的方式解释疲劳损伤过程中损伤的累计,在对数坐标下耗散能变化比的稳定值与疲劳寿命呈明显的线性关系,稳定值随初始加载应变幅值的增大而增加。当加载应变增大时,材料稳定段相邻加载间损伤累计越快,疲劳寿命相对减小,也解释了2次循环加载间损伤发展的原理。     

超声冲击对MB8镁合金焊接接头超高周疲劳性能的影响

通过超声冲击试验和超声疲劳实验来探究超声冲击对MB8镁合金焊接接头超高周疲劳性能的影响。结果表明:由S-N曲线可知,在106~109寿命区间内,冲击态试样的疲劳性能要高于焊态。在应力为40 MPa载荷下,焊态试样的疲劳寿命为1.86×10~7,而冲击态试样的疲劳寿命为9.77×10~7,提高425%,说明超声冲击可以明显提高MB8镁合金焊接接头的疲劳寿命。裂纹都是萌生于焊趾区,试样的断口存在6个不同区域:疲劳源区、初始扩展区、过渡扩展区、粗晶扩展区、柱状晶扩展区、瞬断区。     

SMA490BW钢低组配接头的疲劳性能研究

为发挥低强匹配焊接能改善高强钢的可焊性、有效降低约束力和预热温度的优点,采用J422焊条焊接超声疲劳试样,对高铁转向架用钢SMA490BW低组配十字焊接接头开展常温拉压条件下的超声疲劳试验,并对失效试样进行断口分析,研究低组配接头的疲劳失效机理。试验结果表明:十字焊接接头试样均断于焊趾,疲劳S-N曲线呈连续下降趋势。将十字接头的疲劳性能与板状母材进行对比分析,发现十字接头的疲劳寿命远低于母材。在循环周次为3.11×106时,十字接头试样的疲劳强度仅为母材的67%。试样疲劳断口的扫描电镜(SEM)分析结果显示,裂纹源主要位于焊趾处的熔合区,该区域存在的几何不连续性及焊接缺陷会引起较大应力集中,是导致焊接接头疲劳断裂的主要因素。     

利用磁性变化测量疲劳寿命的新方法

<正> 为了工程构件的安全,必须准确地了解构件的疲劳寿命。从实验便利的角度考虑,直至断裂的循环数N_f被用作设计判据。在低周疲劳条件下,断裂前的循环数N_f与塑性应变幅△ε_p间符合柯芬-曼森(Coffin-Manson)关系:     

基于表面裂纹萌生与扩展的疲劳寿命预测模型

为了预测表面裂纹萌生与扩展的疲劳寿命,分别对渗碳CrMn钢的光滑试样与渗氮CrNi钢的光滑、缺口试样开展超高周疲劳试验,观察试样的疲劳缺口,分析试样的S-N曲线及疲劳损伤机理。考虑应力比、疲劳缺口系数与残余应力3种因素,构建更准确的裂纹萌生寿命预测模型,并对表面失效的裂纹萌生寿命进行预测。用Israel提出的裂纹扩展寿命预测模型计算裂纹扩展寿命,再将预测的裂纹萌生与扩展寿命相结合得到总疲劳寿命。结果表明：裂纹萌生寿命预测模型的预测结果与试验结果基本一致,构建的新模型较可靠。计算的总疲劳寿命与试验疲劳寿命相比,绝大部分都小于3倍误差,寿命预测较精准。     

基于裂纹萌生和扩展的渗氮钢疲劳寿命预测

以渗氮CrNiW钢的光滑试样和两种缺口试样为研究对象,开展超高周疲劳试验.观察渗氮CrNiW钢的疲劳断口显微组织,分析S-N曲线特性及失效机理,基于裂纹萌生模型和裂纹扩展模型计算渗氮CrNiW钢的萌生和扩展寿命,结合裂纹萌生和扩展寿命计算总疲劳寿命.结果表明:随应力集中系数增加,ΔKFGA小幅降低,ΔKfish-eye减小明显;应力幅值较低时,裂纹萌生寿命占总疲劳寿命的比例很高,裂纹扩展寿命占比很低,基本可忽略;模型预测的总疲劳寿命与试验结果较接近,除个别数据点外,预测结果均在2倍偏差内,预测较准确.     

基于动态扭矩测试的综合传动系统主轴低周疲劳寿命预测与验证

为解决履带车辆综合传动系统主轴低周疲劳失效的问题,开展主轴疲劳样件检测及材料力学性能测试。通过实车测试获得主轴动态扭矩,在此基础上,建立主轴弹塑性有限元模型并预测主轴的低周疲劳寿命;进一步开展主轴低周疲劳台架试验,对寿命预测方法进行验证。研究结果表明：履带车辆在起步阶段下的冲击扭矩是造成综合传动系统主轴低周疲劳的主要载荷;由于双侧非对称的结构特点,导致主轴右侧冲击扭矩均值是左侧的1.54倍;主轴最大Mises应力为1 510 MPa, 最大应变为0.008 692 3,均发生在右侧输出花键与过渡圆弧交界位置的齿根处,与主轴疲劳断裂位置一致;实车条件下主轴能承受冲击扭矩的次数为17 082次;台架试验获得的主轴能承受冲击扭矩的次数为5 000,预测获得的主轴能承受冲击扭矩的次数为5 843次,仿真结果与试验结果基本吻合,验证了低周疲劳寿命预测方法的可行性。     

不同载荷历史作用下 2Cr13 钢循环变形行为的微观解释

对淬火高温回火的未服役新叶片材料及已服役近７万ｈ的旧叶片材料２Ｃｒ１３钢进行了低周、高周疲劳试验。用透射及扫描电镜对其微观结构的演变进行了观察。新２Ｃｒ１３钢经低周疲劳软化后，位错发生了较大范围的动态回复，形成了具有较低能量的亚晶界结构，位错运动的平均自由程增大是其软化的原因。服役后旧叶片本身已发生了软化，微观应力测定结果表明旧叶片的微观应力较小，而且低温冲击断口的ＳＥＭ观察发现旧叶片中已形成了微空洞。服役叶片的低周疲劳实验也表现出循环“软化”，但位错亚结构的变化却表现了循环硬化的特征，这说明服役叶片的循环软化是由于旧叶片内已形成的微空洞损伤造成的。     

基于铬层与基体结合部疲劳损伤的转管机枪身管寿命预测研究

为预测身管寿命,采用热-固耦合场理论、冲击疲劳理论和疲劳累积损伤理论,提出基于身管铬层与基体结合部疲劳损伤的身管寿命预测方法。以3管转管机枪的身管寿命为例,建立有限元模型,计算铬层与基体结合面的耦合应力,预测身管寿命,理论计算与试验结果进行了对比,数据基本吻合;分析身管镀铬层厚度对身管寿命的影响。研究结果表明：铬层与基体结合部的疲劳损伤寿命基本决定了身管的寿命,证明所提寿命预测方法是可行的;适当增加镀铬层厚度,可以提高身管寿命。     

MB8镁合金焊接接头超高周疲劳性能

为提高镁合金焊接接头的超高周疲劳寿命及其安全可靠性,采用机械打磨除去MB8镁合金焊接接头余高,利用超声疲劳试验机来探究MB8镁合金焊接接头超高周疲劳性能。结果表明:MB8镁合金焊接接头的S-N曲线在2.0×10~8周左右时会出现平台,说明其存在疲劳极限;当疲劳寿命小于2.0×10~8周,S-N曲线呈连续下降趋势,疲劳寿命随着载荷的降低而增加;疲劳失效试样都断裂在试样的中间焊缝部位,疲劳断口可以分成疲劳源区,柱状晶扩展区、过渡扩展区、粗晶扩展区、瞬断区5个区域。     

高压下厚壁圆筒疲劳寿命试验

介绍38CrNi3MoV厚壁圆筒模拟管的试制过程,进行液压循环疲劳寿命试验。结果表明,在实验室条件下试制的6支模拟管,其二端的力学性能:Rr0.11270～1320MPa、A13%～18%、Z45%～54%、-40℃Akv25～37J。在循环压力为600MPa下,模拟管的安全疲劳寿命为1807～3449次(发)。