基于高速数字图像相关法的疲劳裂纹尖端位移应变场变化规律研究

应用高速摄像数字图像相关法研究了谐振式疲劳裂纹扩展试验中紧凑拉伸（CT）试件在高频正弦交变载荷作用下,裂纹稳态扩展阶段裂纹尖端区域位移和应变场的变化规律。采用数字化高速摄影设备采集系列正弦交变载荷作用下CT试件数字散斑图像,应用数字图像相关(DIC)法计算每幅图像裂纹尖端区域位移和应变场,对裂纹尖端区域特征点的位移、应变值采用最小二乘正弦拟合方法进行拟合,求出振幅、相位、平均载荷等特征量,将拟合出的应变或位移正弦曲线和所对应的系列散斑图像进行匹配,找到一个应力循环内特征位置的图像。使用动态高精度应变仪测量了CT试件在一个应力循环内裂纹尖端点应变值,试验结果表明,DIC应变测量最大误差为4.12%,验证了所提出DIC测量方法的可行性。在此基础上,进行了基于高速DIC方法的谐振式疲劳裂纹扩展试验,研究了疲劳裂纹未扩展时裂纹尖端应变幅值和疲劳循环次数的关系及疲劳裂纹扩展到不同长度时裂纹尖端区域位移和应变场的变化规律。     

中锰铸钢疲劳裂纹扩展行为研究

采用疲劳裂纹扩展速率试验方法中的紧凑拉伸试验 (CT试验 ) ,得到了中锰铸钢疲劳裂纹扩展速率的数学表达式 ;用 SEM和微区相结构测试技术分析了中锰铸钢在疲劳裂纹扩展过程中的行为特点。研究表明 ,中锰奥氏体铸钢在疲劳裂纹扩展过程中 ,裂纹尖端将由应变诱发奥氏体向马氏体转变并伴有相变塑性产生 ,从而延缓了裂纹的扩展速率     

基于显微DIC的谐振疲劳短裂纹尖端变形场演化规律

为研究疲劳短裂纹扩展机理，提出一种基于显微数字图像相关(DIC)的塑性金属材料谐振疲劳短裂纹尖端位移场、应变场和塑性区的测量方法，并对其演化规律进行研究。通过显微摄像系统采集疲劳裂纹扩展过程中谐振载荷最大点试件短裂纹图像；采用DIC方法获得裂纹尖端区域位移场和应变场的数据。通过虚拟引伸计技术结合位移场演化数据获得短裂纹扩展过程中裂纹尖端坐标，进而根据von Mises屈服准则和应变场数据确定裂纹尖端塑性区尺寸及演化规律并与Irwin模型的理论尺寸进行对比验证；采用电子背散射衍射(EBSD)技术测量典型塑性金属材料316不锈钢疲劳裂纹尖端的晶粒尺寸分布，进一步研究谐振载荷作用下疲劳短裂纹尖端区域沿晶粒尺度的位移和应变的演化规律。研究结果表明：提出的方法成功获取了短裂纹微米级变形场演化数据，为塑性金属材料疲劳短裂纹扩展特性的进一步研究和疲劳寿命预测提供了实验和理论支持。     

疲劳裂纹扩展速率和门槛应力强度因子计算公式的探讨

<正> 一、引言 近30年来,对材料的疲劳行为进行了大量的研究,结果表明,疲劳破坏实质上是由于疲劳裂纹扩展引起的。Hahn等及其它研究者研究了疲劳裂纹尖端塑性区,结果都认为,无论是低循环应变疲劳还是高循环应力疲劳,裂纹扩展都是塑性变形的结果。基于疲劳断口的分析研究也得出同样的结论。因此,根据裂纹尖端的塑性变形来建     

基于DIC谐振载荷作用下疲劳裂纹尖端位移应变场测量

为测量谐振式疲劳裂纹扩展试验中紧凑拉伸(compact tension,CT)试件在高频正弦交变载荷作用下裂纹尖端区域位移和应变场的变化规律,提出基于数字图像相关(digital image correlation,DIC)方法和数字化高速摄像技术相结合的动态位移和应变场测量方法。用数字化高速摄像设备采集正弦交变载荷作用下系列CT试件数字散斑图像,用DIC方法计算每幅图像裂纹尖端区域位移和应变场,选取裂纹尖端区域特征点,采用最小二乘正弦拟合方法,求出其正弦规律的变化曲线及振幅、相位、平均载荷等特征量,将拟合出的应变或位移正弦曲线和所对应的系列散斑图像进行匹配,得到一个应力循环内特征位置的图像及其相应位移及应变场,研究其变化规律。采用动态高精度应变仪测量CT试件在一个应力循环内裂纹尖端点的应变值。实验结果表明,DIC应变测量最大误差为4.12%,该方法具有理论意义和应用价值。     

外物损伤对叶片振动疲劳裂纹扩展性能的影响

为研究外物损伤(FOD)对航空发动机叶片的疲劳裂纹扩展影响,基于落锤冲击试验系统,在不同冲击能量下进行TC4钛合金试件的FOD模拟试验及振动疲劳试验,获得损伤试件的裂纹长度与疲劳寿命的关系,并拟合疲劳断口裂纹形貌参数,建立疲劳裂纹扩展寿命预测计算模型。研究结果表明：损伤缺口的深度和宽度随冲击能量的减小而非线性的减小。当冲击能量较大时,试件的疲劳裂纹先沿弯曲微裂纹扩展,后沿直线扩展;当冲击能量较小时,试件疲劳裂纹保持直线扩展。裂纹的萌生寿命与冲击能量、应力水平二者相关。     

温度对HTPB推进剂疲劳特性的影响

为了研究端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂不同温度下的疲劳特性,进行了不同温度下恒应力控制的疲劳循环加载试验。以峰值应变作为损伤因子,基于损伤力学和粘弹性理论,建立了HTPB推进剂含温度效应的疲劳损伤三阶段演化模型。结果表明,随着温度的升高,材料的疲劳寿命缩短,疲劳断裂应变增大。疲劳过程中的峰值应变具有明显的三阶段演化规律:初始变形阶段、稳定发展阶段和加速阶段。建立的三阶段演化模型克服了两阶段模型不能考虑宏观裂纹扩展的缺点。拟合模型参数,运用线性回归的方式预测了213 K和333 K的理论结果,该结果和试验结果较为一致,因此,它可以很好地表征材料的损伤演化规律。     

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。     

HTPB推进剂三点弯曲过程试验与数值模拟

为了研究端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂三点弯曲过程裂纹尖端细观损伤特点,采用扫描电镜对裂纹尖端动态损伤过程进行了观察。建立了基于子模型的推进剂三点弯曲多尺度模型,实现了三点弯曲试件宏观变形和裂纹尖端细观损伤的有效计算,并从试验和数值模拟两个角度分析了裂纹尖端损伤过程。结果表明:推进剂三点弯曲裂纹尖端损伤过程先是裂尖颗粒与基体脱湿,在裂纹尖端附近形成损伤区,随压缩位移的增加,不同颗粒脱湿引起的微裂纹与裂尖汇聚,使裂纹向前扩展;压缩过程中,由于裂纹尖端两端的拉伸作用使裂尖发生钝化。压缩位移从0增加至1.2 mm,裂纹张开位移从0增加至84.1μm,并且随压缩位移的增加,其增加的速率也增大;数值模拟结果与试验结果吻合良好。建立的基于子模型的多尺度数值模型可以有效模拟推进剂三点弯曲试验宏观变形以及裂纹尖端细观损伤过程,为开展推进剂宏细观损伤过程分析提供了一种新方法。     

应力比对40CrMnSiMoVA钢P-da／dN-△k曲线影响研究

在介绍40CrMnSiMoVA钢的力学性能和试验条件基础上,根据金属材料疲劳裂纹扩展的统计分析方法,求出Pa-N和P-da/dN-△k曲线,并对不同应力比条件下的试验数据进行可靠性分析和比较,探讨中值da/dN-△k曲线和99.9%可靠度dddN-△k曲线的变化规律.研究结果表明,P-da/dN-△k曲线与应力比有很强的相关性,随着应力比增强,裂纹扩展速率增加.当可靠度要求增加时,这种趋势更明显.根据研究结果,恰当地考虑40CrMnSiMoVA钢对于不同应力比的影响,便于进行概率断裂力学分析.     

TATB基PBX张开型裂纹起裂及扩展行为

为研究1,3,5?三氨基?2,4,6?三硝基苯(TATB)基高聚物粘结炸药(PBX)中张开型裂纹在准静态载荷下的失效与破坏行为,设计了含预制裂纹的半圆盘弯曲试验,应用数字图像相关方法和90000 fps的高速摄影技术分别研究了实验中裂纹的起裂及扩展行为。结果表明,试样沿预制裂纹方向发生脆性劈裂破坏,应变分析显示裂纹尖端有显著的拉伸应变集中区域。在裂纹扩展路径上仅裂纹尖端区域的应变演化有显著的时间效应,且演化过程有一个显著的拐点,约0.85 p_(max)载荷,裂纹尖端的应变集中效应在拐点后才开始显现并快速扩展。裂纹扩展过程中有显著的塑性迟滞现象。裂纹尖端的应变分布和演化特性的分析表明,TATB基PBX在裂纹尖端局部发生了塑性变形,且塑性变形对裂纹的起裂与扩展行为有明显影响。     

基于三维CT试样的X65钢裂纹扩展规律研究

海底管道是运输石油、天然气等战略资源最为安全和经济的方式,X65钢作为管道钢的主要制造材料,其稳定性和安全性备受关注.针对X65钢的疲劳裂纹扩展问题,建立三维紧凑拉伸(CT)试样的有限元模型,分别用扩展有限元法(XFEM)和专业裂纹扩展仿真软件模拟裂纹准静态和动态扩展过程,通过疲劳试验对模拟结果进行验证.结果表明:基于裂纹动态扩展的数值模拟结果更接近实际情况,通过疲劳试验测得的K值与裂纹动态扩展模拟值相差小于3％,而与XFEM和解析公式值在裂纹扩展后期相差6.8％.针对现行规范解析公式基于平面假设问题,提出一种适用于三维应力状态的标准CT试样裂尖应力强度因子计算改进公式,得到基于Paris公式的裂纹扩展速率线性拟合参数lgC=-8.2223,m=2.9664.     

点火内压载荷对推进剂装药裂纹的影响

对内压载荷作用下装药的应力应变场进行了数值计算,并与经典文献进行了对比,结果符合很好。在此基础上,针对装药中心的表面裂纹,通过在裂纹尖端周围布置有限奇异裂纹元以模拟裂纹尖端的奇异型,计算了内压载荷作用下不同深度裂纹尖端的应力强度因子,分析并总结了断裂参量随裂纹深度以及时间的发展规律。计算结果表明,点火升压阶段,裂纹将主要以张开方式进行扩展。     

用有限单元法计算厚壁圆管疲劳寿命

用二维有限元计算应力强度因子的近似值,通过修正系数F的修正得到较精确的应力强度因子KI。利用Paris方程作为厚壁园管内表面裂纹扩展速率模型并给出方程系数,从而计算了厚壁圆管内表面裂纹扩展深度与压力循环次数的关系,计算结果与实验结果相吻合。在此基础上,计算实验模拟管的疲劳寿命,给出了压力-疲劳寿命关系曲线;最后,给出了具有内表面裂纹的高压厚壁圆管的疲劳寿命的保守计算。     

多次冲击下泡沫铝动态压缩力学性能试验与本构模型研究

基于分离式霍普金森压杆装置对泡沫铝试样进行多次冲击加载试验,研究泡沫铝在中低应变率下的动态压缩力学性能。通过分析泡沫铝破坏形貌、透波率、应力-应变曲线以及能量吸收效率随冲击加载次数的变化规律,研究了损伤累积对材料动态力学性能以及吸能特性的影响机理。试验结果表明：随着冲击次数的增加,泡沫铝内部胞孔结构逐步崩溃压实,对应力波的衰减作用减弱,弹性极限应力及对应应变均有增强效应,且多次冲击下的损伤累积效应有助于提高理想吸能效率。基于试验所得应力-应变曲线,将损伤累积变量引入Sherwood-Frost方程,建立泡沫铝材料多次冲击下损伤累积本构模型,分析了形状函数参考曲线对应损伤累积能量与多次冲击试验损伤累积能量差值对本构模型准确性的影响,并进行了试验验证。     

金属的疲劳性能与拉伸性能的关系

本文总结了疲劳极限、疲劳裂纹起始门槛值、裂纹扩展门槛值、应变疲劳寿命、疲劳裂纹起始寿命和裂纹扩展速率与拉伸性能间的定量表达式。最后提出了需要研究的课题。     

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     

氢原子对双晶α-铁晶界裂纹扩展影响的模拟研究

为从微观角度研究氢原子对α-铁力学行为的影响,并解释α-铁在形变过程中材料微结构演化的细节与规律,采用分子动力学模拟方法研究在拉伸载荷下,氢浓度对含有对称斜晶界的双晶α-铁裂纹扩展的影响。计算结果表明:双晶α-铁的峰值应力随着氢浓度的增加而减小。由于左右裂纹晶向的不同,致使裂纹不对称的开裂。研究发现,氢原子会阻碍裂纹扩展,但氢原子对左右裂纹阻碍的机制不同。研究结果显示,氢原子聚集在左裂纹尖端,增强裂纹尖端区域的局部塑性,阻碍裂纹向左侧的扩展;然而,裂纹右侧区域的氢原子不仅增强裂纹尖端的局部塑性,还促进Hirth位错在右裂纹尖端相变区域的成核,从而有效阻碍右裂纹扩展。     

高强度炮钢低周疲劳裂纹萌生的研究

<正> 对于承受循环变应力作用下的广义缺口件最好是从应变的角度来考虑缺口根部材料的特性,也就是用局部应力-应变法进行疲劳寿命的设计。然而,作为这种设计方法的一个重要判据,即ε-N曲线的失效判据,目前尚未统一。即使是使用某一人为规定的、与工程裂纹长度相对应的循环周次作为“裂纹形成寿命”,判据也很不一致。从基     

晶粒尺寸对疲劳应力强度因子门坎值的影响

本文探讨了PCrNilMoVA及PCrNi3MoVA钢的晶粒尺寸和疲劳应力强度因子门坎值△K_(th)之间的关系。实验结果表明,随d增大,△K_(th)也相应地增大。 文中基于位错理论,提出疲劳应力强度因子门坎值△K_(th)由两部分组成,即:△K_(th)=△K_(th)~*+△K_(th)~d,△K_(th)~*与晶粒尺寸无关;△K_(th)~d表示使裂纹尖端激发出来的位错能够到达晶界的条件,它与√d呈正比关系。模型与实验结果相一致。