预测疲劳裂纹扩展的多种理论模型研究

大多数工程断裂是因疲劳而引起的,所以金属材料的低周疲劳和裂纹扩展速率性能一直受到安全设计部门的关注。长久以来,国内外学者在建立金属材料低周疲劳行为和裂纹扩展速率性能之间的关系方面进行了多材料和多角度的研究。基于平面应力裂纹尖端小范围屈服应力应变场和疲劳裂纹扩展失效准则,提出用于I型疲劳裂纹扩展速率的预测模型。针对国内外相关工作的研究,基于平面应力裂纹尖端小范围屈服应力应变场和疲劳裂纹尖端循环塑性区内的应变能失效准则,提出一个可用于I型疲劳裂纹扩展速率的预测模型。借助已发表的15种金属材料对应的低周疲劳和裂纹扩展速率性能数据,详细分析和比较所提出的预测模型与其他6种预测模型的预测规律和结果。研究表明,所提出的预测模型能够预测更广泛的金属材料疲劳裂纹扩展速率,并且较其他6中预测模型更符合安全设计的理念。     

一种基于裂尖损伤区的裂纹扩展模型

提出了“裂尖损伤区”的概念,通过解析闭合模型对裂尖损伤区的应力应变历程进行了分析,应用累积损伤理论建立了一个用于分析变幅载荷下疲劳裂纹扩展寿命的模型。应用本模型计算了不同载荷谱下的裂纹扩展寿命,通过与试验结果的比较,表明本文的方法具有精度高、经济实用的特点,适合工程应用。     

钢材及焊接热影响区中低周疲劳裂纹扩展的原位观察

在扫描电镜下对铁素体－珠江体钢及焊接热影响区的低周疲劳裂纹扩展进行了动态原位观察，材料的微观组织对裂纹的扩展存在着明显的影响。提出疲劳裂纹扩展的形态及方式与材料的疲劳裂纹扩展阻力之间的存在着一定的关系，值得进一步研究。     

低周循环载荷下裂纹扩展速率的计算方法

介绍了用能量分析推导疲劳裂纹扩展速率的理论方法。并给出了试验验证的结果。对低会金钢低周循环载荷下裂纹扩展速率计算方法的应用进行了检讨。     

确定疲劳裂纹扩展速率的积分法

针对疲劳裂纹扩展试验中采用传统的差分方法得到的da/dN-ΔK数据分散性较大的问题,提出了得到裂纹扩展速率的积分方法,并将两种方法与试验结果进行了比较,结果表明,积分方法得到的结果与试验结果符合得很好,得到的裂纹扩展速率更精确。     

弹塑性疲劳裂纹扩展行为的数值模拟

基于ABAQUS有限元软件建立内聚单元模型以研究I型弹塑性疲劳裂纹的扩展过程。利用UEL子程序定义内聚单元的疲劳损伤累积准则以识别疲劳裂纹扩展过程中裂纹尖端的位置,并预测裂纹扩展速率da/d N。结果发现,预测的裂纹扩展速率与已有的试验结果吻合良好。通过ABAQUS软件中的温度-位移耦合分析方法同步获取裂纹扩展过程中因塑性变形能引起的裂纹尖端瞬态温度场的变化。结果显示,疲劳损伤累积准则所识别的裂纹尖端位置与裂纹扩展时最大温升点的位置具有一致性。这说明疲劳裂纹扩展过程中温度信号的变化也可以用于裂纹扩展规律的研究。基于数值模拟的方法验证了疲劳裂纹扩展过程中裂纹尖端的温升信号ΔT与裂纹扩展速率da/d N、应力强度因子范围ΔK之间的幂函数关系。研究成果有望用于疲劳裂纹扩展寿命的快速预测。     

分形裂纹扩展对材料疲劳行为的影响

研究了分形裂纹扩展对材料疲劳行为的影响。在实验观测的基础上建立了分形裂纹扩展模型。研究表明，分形裂纹扩展分维Ｄ是裂纹弯折角θ的函数，分形裂纹扩展在裂纹尖端由于弯折而形成“局部混合模式”和裂纹的分形长度效应均很强地影响疲劳裂纹的有效应务强度与有效裂纹扩展速率。本文的理论民一些材料的实验结果取得了很好的一致。     

疲劳裂纹扩展速率试验载荷的确定

本文分析了疲劳裂纹的扩展规律,给出了疲劳裂纹在线弹性或小范围屈服状态下,于亚临界扩展时,确定试验载荷的方法,为疲劳裂纹扩展速率试验确定载荷提供一种途径。试验证明,此方法理论充分、可靠简单、经济,有一定推广价值。     

基于断裂力学的疲劳裂纹扩展速率公式研究

对疲劳裂纹扩展速率公式的研究已有50余年的历史,但是这些公式中均含有物理意义不明确、需由实验确定的常数,通过对三个常用公式和一个新近得到公式的分析比较,验证了新近得到公式的正确普适性、参数易求性及公式物理意义的明确性,进而可预测不同材料的疲劳裂纹扩展速率.     

TC21钛合金的疲劳裂纹扩展研究

建立了新型损伤容限性钛合金TC21的疲劳裂纹扩展模型;研究了疲劳裂纹扩展速率da／dN与疲劳裂纹扩展门槛值之间的关系。该模型预测了TC21钛合金的疲劳裂纹扩展速率,其预测结果与实验结果非常吻合。     

疲劳裂纹扩展中停留机制的考察

采用高精度局部柔度测量技术,对结构钢SM400进行两种阶梯式变载条件下的疲劳试验,考察疲劳裂纹扩展中迟滞回线的形态变化与裂纹停留的关系.基于循环载荷中柔度变化与裂纹开闭口以及裂纹尖端附近应力分布的关系,讨论不同载荷方式下裂纹停留的形成机制.结果表明,裂纹停留意味着循环加载过程中裂纹尖端既不形成拉伸塑性区,也不形成压缩塑性区.疲劳裂纹停留在最大载荷时的裂纹形态有"裂尖锐型"和"裂尖钝型".基于最大载荷和最小载荷后残留在裂纹表面的拉伸变形层确定载荷FRCPG和FRPG,能够获悉在最大和最小载荷时出现塑性区引起裂纹扩展的等价波形,可用于随机载荷波形的计数,为发展工程结构的剩余寿命预测提供一种理论依据.     

316L钢在不同温度下疲劳裂纹扩展的规律研究

本文对 316L钢在常温、2 0 0、4 0 0和 5 5 0℃下的疲劳裂纹扩展速率进行了测试和分析 ,对疲劳断口形貌进行观察 ,得到了四种温度下的疲劳裂纹扩展规律。结果表明 :裂纹扩展率随着温度的升高而增大 ,高温下氧化作用增强     

腐蚀对新型高强度铝合金疲劳裂纹萌生机制及扩展行为的作用

根据编制的某机场环境加速试验谱,通过腐蚀试验模拟飞机服役过程中遭受的潮湿空气、盐雾、二氧化硫、酸雨和干/湿交变等严酷条件的侵蚀作用,采用飞机主承力结构新型高强度铝合金7B04-T74,制备单边缺口拉伸(Single edge notch tension, SENT)试样进行预腐蚀和疲劳试验,分析不同程度腐蚀损伤对疲劳裂纹萌生、裂纹扩展行为和疲劳寿命的影响,揭示腐蚀对裂纹萌生及扩展行为的作用机理。结果表明,在腐蚀初期,疲劳裂纹萌生源主要为单个蚀孔,裂纹扩展路径较为平直;随着腐蚀程度的加重,在多个蚀孔处同时萌生多条小疲劳裂纹,萌生疲劳裂纹的蚀孔具有隧道效应,扩展路径不规则,形成“之”字形裂纹;疲劳裂纹萌生机制是材料第二相与腐蚀损伤之间相互竞争的结果;腐蚀导致疲劳寿命显著降低,尤其是裂纹萌生寿命,腐蚀12年试验件裂纹萌生寿命仅为未腐蚀试验件裂纹萌生寿命的2.2%。     

基于神经网络的金属材料疲劳裂纹扩展规律的预测

人工神经网络是新型的复杂系统预测方法。本文针对金属疲劳裂纹扩展速率建立了 BP 神经网络,并以部分应力比 LD2锻造铝合金疲劳裂纹试验数据作为训练样本,训练建立好的 BP 神经网络;以另一部分应力比条件下的试验数据作为预测样本,验证训练好的 BP 神经网络的预测能力。仿真结果表明,BP 神经网络能够方便地获得不同应力比下的疲劳裂纹扩展速率,对训练样本和测试样本都具有良好的泛化能力。该方法充分利用了已有数据,减少了疲劳试验次数,具有工程应用价值。     

X80管线钢疲劳裂纹的扩展行为

对X80管线钢进行了拉伸试验和三点弯曲疲劳试验,研究了该钢的拉伸断口形貌以及不同应力比(0.1,0.4,0.6)对疲劳裂纹扩展行为的影响。结果表明:X80管线钢具有连续屈服特征,拉伸断口形貌呈韧窝状;增大应力比会降低X80钢的疲劳寿命,降低裂纹长度;以应力强度因子幅值ΔK作为驱动参数,Paris公式可以很好地拟合不同应力比下X80管线钢的疲劳裂纹扩展速率。     

疲劳裂纹的扩展规律和最新研究进展

疲劳裂纹的萌生以及扩展对于零构件的安全使用存在着巨大的潜在隐患,对于广大从事材料研发工作的技术人员来说,掌握疲劳裂纹扩展的基本规律,了解国内外疲劳裂纹扩展的最新研究进展是非常必要的。本文概括了疲劳裂纹在近门槛扩展阶段和高速扩展阶段(Paris区)的扩展规律,总结了近年来国内外学者在这2个扩展阶段的最新研究进展,结合近年来飞速发展的计算机技术,概述了计算机模拟技术在疲劳裂纹扩展研究领域中的广泛应用。     

填充天然橡胶材料裂纹扩展模型的建模方法

填充天然橡胶材料疲劳裂纹扩模型是指裂纹扩展速率与撕裂能峰值之间的关系,它是用于橡胶减振元件疲劳寿命预测的重要模型。在裂纹扩展试验得到的填充天然橡胶材料裂纹扩展长度与循环次数的数据中,由于橡胶的应力软化现象,试验后期的部分数据不可用。为此,建立了数据处理方法,获得有效的裂纹扩展长度与循环次数数据。基于单轴拉伸载荷下填充天然橡胶材料最大应变能密度与最大应变满足幂函数关系的假设,建立了变幅加载工况下裂纹扩展长度与循环次数的数学模型和识别其模型参数的优化方法。在建立的裂纹扩展长度与循环次数模型的基础上,建立了裂纹扩展速率与撕裂能峰值关系的模型和确定模型中参数的数值方法。利用一组哑铃型试片的疲劳寿命实测数据,对建立的裂纹扩展速率模型进行了验证,证明了所建立模型的正确性。     

疲劳裂纹扩展影响因素研究综述

文中通过介绍疲劳裂纹扩展的规律,指出了疲劳裂纹扩展的研究途径。残余应力、超载、温度、加载频率和应力比是影响疲劳裂纹扩展的主要因素。发展相关理论和方法,正确认识影响机理,科学预测疲劳裂纹扩展行为一直是研究者关注的问题。文中介绍了近年来残余应力、超载、温度、加载频率和应力比对材料疲劳裂纹扩展的影响机理方面的研究,论述了其影响效果,得出了常用结论。