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1_25Cr_0_5Mo钢在蠕变疲劳交互作用下的裂纹扩展分析

1_25Cr_0_5Mo钢在蠕变疲劳交互作用下的裂纹扩展分析
1_25Cr_0_5Mo钢在蠕变疲劳交互作用下的裂纹扩展分析

下半月出版材料热处理技术

Material&Heat Treatment

压力容器等典型承压化工设备广泛地应用于石油化工等过程工业生产中,通常面临着高温、高压和腐蚀的工作环境。随着我国石油化工技术的发展,这些设备面临的环境越来越苛刻。化工设备在制造、安装和使用过程中,不可避免要产生一些裂纹等缺陷[1-7],这些裂纹在高温、高压和腐蚀的环境中会不断扩展,特别是在频繁开停工和间歇操作的高温承压设备中。为了探讨在蠕变疲劳交互作用下裂纹扩展的行为,本文以1.25Cr-0.5Mo钢为研究对象,利用ANSYS软件,采用损伤累积的方法,分析蠕变和疲劳对其裂纹扩展的影响规律。

1蠕变与间歇循环载荷交互作用下裂纹扩展行为分析

由蠕变疲劳交互作用的寿命预测方法可知,每次裂纹扩展行为是由疲劳损伤和蠕变损伤累积而成的,所以蠕变条件下的裂纹扩展,其每一步可以看成是疲劳损伤和蠕变损伤的累积。如果载荷加载频率过快,由于蠕变引起的裂纹扩展所需要的时间相对较长,那么蠕变的影响就不容易体现;并且在裂纹扩展的初期,裂纹扩展的尺寸极其微小,如果建立以时间为变量的话,那么必须计算每个时间周期和加载周期的裂纹扩展长度,工作量十分巨大,且较难体现出扩展的规律。为了分析在载荷加载频率一定时,蠕变与间歇载荷对裂纹扩展的影响,建立每个周期裂纹扩展尺寸与瞬时裂纹尺寸之间的关系。以研究裂纹扩展速率随瞬时裂纹尺寸的变化,得出裂纹在不同尺寸下的扩展速率以及扩展的变化趋势。

分析发现,1.25Cr-Mo钢在550℃下,当拉伸应力大于130MPa时,由于在该应力和温度下,裂纹尖端区域的应力-应变关系超出了粘弹塑性范围,ANSYS无法进行蠕变分析。另外,有资料显示,在蠕变过程中,压应力对蠕变的贡献是极其微小的。因此,这里只探讨1.25Cr-Mo钢在550℃和间歇循环载荷0~120MPa共同作用下的裂纹扩展行为。

1.25Cr-0.5Mo钢在蠕变疲劳交互作用下

的裂纹扩展分析

李国成1,孙伟松2,王为良1,潘锦泰1

(1.中国石油大学机电工程学院,山东东营257061;2.山东省特种设备检验研究院淄博分院,山东淄博255030)

摘要:利用大型有限元分析软件ANSYS,模拟分析了石油化工高温设备中广泛使用的1.25Cr-0.5Mo钢在蠕变疲劳交互作用下的裂纹扩展行为,得出了裂纹在不同的条件下的扩展规律。分析过程中,采用了损伤累积的方法,对每个载荷步的裂纹扩展进行累积,提高了结果的可信度。

关键词:蠕变;疲劳;蠕变疲劳交互作用;ANSYS;裂纹扩展

中图分类号:TG144文献标识码:A文章编号:1001-3814(2010)18-0055-03 Analysis on Crack Propagation of1.25Cr-0.5Mo Steel Under

Fatigue-creep Interaction

LI Guocheng1,SUN Weisong2,WANG Weiliang1,PAN Jintai1

(1.College of Electromechanical Engineering,University of Petroleum(East China),Dongying257061,China;2.Zibo Division

of Shandong Special Equipment Inspection Institute,Zibo255030,China)

Abstract:The crack opening behavior of1.25Cr-0.5Mo was researched with ANSYS,which is widely used in the high temperature equipments of petrochemical industry under the conditions of fatigue-creep interaction.Different crack opening rules were obtained under different conditions.In the analysis,damage accumulation method is used to track the crack propagation,which can improve the reliability.

Key words:creep;fatigue;fatigue-creep interaction;ANSYS;crack propagation

收稿日期:2010-06-12

作者简介:李国成(1951-),男,山东莱州人,副教授,主要从事压力容器

安全工程学研究;电话:0546-7989018;

E-mail:ligcheng@https://www.wendangku.net/doc/273170577.html,

2010年9月

材料热处理技术Material &Heat Treatment 1.1模拟试验条件及方法

设定的模拟试验条件如下:

温度:550℃;间歇循环载荷:0~120MPa ;载荷循环周期:14400s ;记录数据周期:0.05mm ;杨氏模量:E=1.49×105MPa ;柏松比:μ=0.3;循环周期:

14000s(保载时间7200s)。

设定的载荷循环如图1所示。

模拟方法:当计算蠕变疲劳交互作用裂纹扩展时,其载荷可以进行这样的简化,在每个周期的拉伸载荷作用时间内,拉伸载荷大小由于蠕变应力松弛而下降。经过ANSYS 的蠕变应力松弛计算,120MPa 拉伸载荷在同尺寸无缺陷平板的应力经过保载时间

7200s 后下降到118.662MPa ,所以图1所示的循环

载荷变为图2。

这样便把蠕变应力松弛因素转化成了拉伸载荷变化来求解,对加载步0~120MPa 应用Paris 公式来求解裂纹的扩展,而对加载步120~118.662MPa 则用Forman 公式来求解[8]。

1.2ANSYS 裂纹扩展分析

建立数值模型如图3所示,并按照上述的试验条件施加边界条件及载荷,裂纹每增加0.05mm 时记录一次数据,并记录蠕变裂纹扩展尺寸和疲劳裂

纹扩展尺寸。

图4和图5分别为一个记录数据周期之后的

Von Mises 等效应力图和Von Mises 总应变图。

分别记录在裂纹每扩展0.05mm 时的疲劳裂纹扩展尺寸和蠕变裂纹扩展尺寸,并做出曲线如图6所示。可发现,1.25Cr-Mo 钢在550℃和间歇循环载荷0~120MPa 作用下,当载荷周期为14400s 时,在裂纹扩展的初始阶段,亦即在裂纹尺寸较小时,蠕变裂纹扩展是主要的影响因素,当裂纹扩展到2.5mm 的时候,疲劳引起的扩展量仅为0.472μm ,而蠕变引起的扩展量为2.123μm ,为疲劳引起扩展量的

4.5倍,并且随着裂纹的持续扩展,蠕变裂纹扩展的

速率增长要比疲劳裂纹扩展速率大得多。如果蠕变

140120100806040200

5000

100001500020000

时间/s

载荷/M P a

图10~120MPa 循环载荷

Fig.1The cyclic loading at 0~120MPa

6(-10,75)

5(40,75)

8(-10,-75)7(40,-75)1(40,0)

2(0,0)

Δy=0

4

3x y

4(-10,0)

3(-10,0)图3二维裂纹模型

Fig.32D crack model

3.02.52.01.51.00.50

0.5

1.0

1.5

2.0 2.5

3.0

裂纹尺寸/mm

蠕变裂纹扩展

疲劳裂纹扩展

疲劳蠕变总扩展

图41个循环周期后的Von Mises

等效应力图Fig.4The contour of Von Mises stress

after a cycle 图51个循环周期后的Von Mises

总应变图Fig.5The total strain contour after

a cycle 图6蠕变疲劳交互作用下疲劳、

蠕变裂纹扩展初期

Fig.6The crack propagation at the initial stage and thermal fatigue combined with creep

每周期扩展尺寸/μm

140120100806040200

5000100001500020000

时间/s

载荷/M P a

图2考虑蠕变时的循环载荷

Fig.2The cyclic loading considering creep

0~120MPa 循环载荷120

118.662

裂纹和疲劳裂纹的扩展速率按照这种趋势发展下去,那么容易得出结论,在足够长的循环载荷周期下,蠕变疲劳交互作用裂纹扩展是蠕变起主导地位的,蠕变疲劳交互作用的总裂纹扩展速率的变化趋势基本与蠕变裂纹扩展规律相似。

但是,经过多次加载,在裂纹扩展的后期,发现疲劳裂纹扩展的贡献与蠕变裂纹扩展的贡献达到相等,并且在此之后,亦即在裂纹尺寸较大时,疲劳裂纹扩展速率将大于蠕变裂纹扩展速率,成为裂纹扩展的主要影响因素。如图7所示。蠕变疲劳交互作用裂

纹扩展速率变化趋势基本与疲劳裂纹扩展的相似。

图8和图9分别为裂纹扩展到23.3mm 时的

Von Mises 等效应力图和总应变图。

2

蠕变疲劳交互作用与纯机械疲劳裂纹扩展的比较

为了比较裂纹扩展整个过程中蠕变疲劳交互作

用裂纹扩展与纯机械疲劳裂纹扩展的区别,分析计算了如图1所示间歇循环载荷作用下的裂纹扩展,并记录了裂纹扩展速率沿着裂纹扩展尺寸变化的相

0.060.050.040.030.020.010.00

21.5

22.5

23.524.525.5

裂纹尺寸/mm

每周期扩展尺寸/m m

蠕变裂纹扩展

疲劳裂纹扩展疲劳蠕变总扩展

图7蠕变疲劳交互作用下疲劳、

蠕变裂纹扩展后期Fig.7The crack propagation at the later stage and thermal fatigue combined with creep 图8裂纹扩展到23.3mm 时的

Von Mises 等效应力图Fig.8The contour of Von Mises stress at

crack length of 23.3mm 图9裂纹扩展到23.3mm 时的

Von Mises 总应变图

Fig.9The total strain contour at crack

length of 23.3mm

关数据,如图10所示。可以看出,在裂纹扩展的初始阶段,蠕变疲劳交互作用下的裂纹扩展速率要比纯机械疲劳裂纹扩展速率快,这是因为,在裂纹扩展的初始阶段蠕变裂纹扩展占了主导因素。随着裂纹的逐渐扩展,纯机械疲劳裂纹扩展速率超过蠕变疲劳交互作用下的裂纹扩展速率,该交点大约在

23mm 左右,并且在此交点之后,纯机械疲劳裂纹扩

展速率与蠕变疲劳交互作用下的裂纹扩展速率都迅速增大,纯机械疲劳的扩展速率较蠕变疲劳的扩展速率要快得多,直至断裂。因此可以判断,在相同的初始裂纹条件下,蠕变疲劳交互作用下的寿命要比纯机械疲劳的寿命高。

有学者曾做过1.25Cr-Mo 钢圆棒试样在蠕变疲劳交互作用条件下的无缺陷全寿命研究[9],实验研究发现,在交互作用下,试件断面脱落的杂质或基体颗粒仍然较多,静蠕变造成的蠕变孔洞也较多、较大,蠕变孔洞壁上出现的疲劳辉纹是疲劳加速蠕变损伤的证据,而蠕变孔洞上少量脱落的颗粒是蠕变加速疲劳损伤的证据,此时平均应力(如果存在的话)和应力幅都对材料损伤起着重要作用。因此,这在一定程度上可以解释为什么蠕变疲劳交互作用在裂纹扩展的初始阶段速率要比纯机械疲劳的速率快。但是,从蠕变机理的角度来考虑上述结果,因为在蠕变发生时裂纹尖端处的应力场发生了重新分布,裂纹尖端附近区域内的应力最大值并没有出现在裂纹尖端处,可以认为高温条件对材料实施了一定的软化作用,导致裂纹扩展速率的降低。并且,高温条件下该材料的强度降低,伸长率增大,在低周疲劳下,伸长率是材料寿命的重要影响因素,伸长率越大,其寿命越长。

3结论

(1)在裂纹扩展的初期,蠕变引(下转第61页)

0.180.160.140.120.100.080.060.040.02051015

20253035

纯机械疲劳

蠕变疲劳交互作用

裂纹尺寸/mm

每周期扩展尺寸/m m

图10蠕变疲劳交互作用与纯机械疲劳裂纹扩展的比较

Fig.10The comparison of crack propagation between

mechanical fatigue and creep fatigue

(上接第57页)起的裂纹扩展是主要的,而疲劳引起的裂纹扩展是次要的。

(2)随着裂纹的进一步扩展,蠕变引起的裂纹扩展速率在裂纹扩展的后期变得相对缓慢,而疲劳引起的裂纹扩展速率不断增大,对裂纹扩展的贡献开始突显,尤其在裂纹扩展的后期,疲劳引起的裂纹扩展成为这一阶段的主要影响因素。

(3)在550℃和0~120MPa间歇循环载荷作用下,该材料的蠕变疲劳寿命比纯机械疲劳条件下的寿命长,并从前人实验结果、蠕变机理和伸长率的角度来解释了这种规律。

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消失,奥氏体内的扩展位错和层错的数量相应减少;位错上明显有析出物出现,见图5(a)、(b)和图6(a);在两相的相界上有析出物产生,见图5(c);在局部还可发现有孪晶存在,见图6(b);铁素体内的位错上也出现了析出物并起应力场,如图5(d)及图6(c)所示。图6(d)为老化3000h后管道外壁扫描电子显微照片,显示在老化3000h后,铁素体已出现调幅分解现象。

从以上分析可知,离心铸造双相钢管道在热老化过程中,随热老化时间的延长,位错和层错的数量都在减少,在原来清晰光滑相界上逐渐开始有细小的析出物出现,在铁素体中有调幅分解出现。双相不锈钢长时间在400℃下热老化,必然会使材料在老化的过程中获得大量的热能,这些吸收的热能会导致体系能量升高,使材料处于热力学不稳定状态,而材料又有自发回复为稳定状态的趋势,因此材料就必须通过降低自身的能量来使体系在回复稳定状态时,就必须降低自身的能量,在材料微观结构上就以位错、层错的数量的变化表现出来。在400℃的条件下热老化,可以使双相不锈钢的位错发生重组,互相抵消,因而随着热老化时间的延长,位错数量会减少,位错密度也会下降。

3结论

(1)Z3CN20-09M铸造双相不锈钢在原始态及各热老化时间下组织的基体均为奥氏体,铁素体在基体中也都呈现不连续的岛状、花边状和条带状分布。并且热老化时间的延长对金相组织形态基本不产生影响。

(2)随着热老化时间的延长,基体中的位错密度降低,数量也明显减少,长时间热老化后位错上有细小的沉淀物出现,并且在相界及晶界处有析出物产生。老化3000h后,铁素体中存在调幅分解现象。

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材料疲劳裂纹扩展设计研究综述

材料疲劳裂纹扩展研究综述 摘要:疲劳裂纹扩展行为是现代材料研究中重要的内容之一。论述了组织结构、环境温度、腐蚀条件以及载荷应力比、频率变化对材料疲劳裂纹扩展行为的影响。总结出疲劳裂纹扩展研究的常用方法和理论模型,并讨论了“塑性钝化模型”和“裂纹闭合效应”与实际观察结果存在的矛盾温度、载荷频率和应力比是影响材料疲劳裂纹扩展行为的主要因素。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人们追求的目标。指出了常用理论的不足,对新的研究方法进行了论述。 关键词: 温度; 载荷频率; 应力比; 理论; 方法; 疲劳裂纹扩展 1 前言 19世纪40年代随着断裂力学的兴起,人们对于材料疲劳寿命的研究重点逐渐由不考虑裂纹的传统疲劳转向了主要考察裂纹扩展的断裂疲劳。尽量准确地估算构件的剩余疲劳寿命是人们研究材料疲劳扩展行为的一个重要目的。然而,材料的疲劳裂纹扩展研究涉及了力学、材料、机械设计与加工工艺等诸多学科,材料、载荷条件、使用环境等诸多因素都对疲劳破坏有着显著的影响,这给研究工作带来了极大困难。正因为此,虽然对于疲劳的研究取得了大量有意义的研究成果,但仍有很多问题存在着争议,很多学者还在不断的研究和探讨,力求得到更加准确的解决疲劳裂纹扩展问题的方法和理论。 经过几十年的发展,人们已经认识到断裂力学是研究结构和构件疲劳裂纹扩展有力而现实的工具。现代断裂力学理论的成就和工程实际的迫切需要,促进了疲劳断裂研究的迅速发展。如Rice的疲劳裂纹扩展力学分析(1967年) ,Elber的裂纹闭合理论(1971年) ,Wheeler 等的超载迟滞模

型(1970年) ,Hudak等关于裂纹扩展速率标准的测试方法,Sadananda和Vasudevan ( 1998年)的两参数理论等都取得了一定成果。本文将对其研究中存在问题、常用方法和理论模型、以及温度、载荷频率和应力比对疲劳裂纹扩展影响的研究成果和新近发展起来的相关理论进行介绍。 2 疲劳裂纹扩展研究现存问题 如今,人们在分析材料裂纹扩展问题时最常用到的是“塑性钝化模型”和裂纹尖端因“反向塑性区”等原因导致的“裂纹闭合效应”理论。而它们是否正确,却一直在人们的验证和争论之中。 根据现有的研究结果,有学者提出,若按照“塑性钝化模型”理论,强度高的材料应具有较低的裂纹扩展速率,但实验结果却不能证实这一预测。另外,该“模型”认为的“裂纹尖端的钝化是在拉应力达到最大值时完成的”这一观点在理论上不妥,也与实测结果不符。观察结果表明,裂纹尖端钝化是一个渐进的过程,钝化半径与外载荷大小成正比。 而疲劳裂纹在扩展过程中的“裂纹闭合效应”在什么情况下存在,能否对材料的裂纹扩展速率产生重要影响,考虑“裂纹闭合”的实验室数据能否用于工程中等问题也一直在人们的争论之中。由于“裂纹闭合效应”理论推出的结论是:“对载荷比的依赖性不是材料的内在行为,而是源于裂纹表面提前闭合后应力强度因子幅(△K) 的变化”,所以早在1984年S.Suresh等人就指出[1],“裂纹闭合”不是一个力学参数,它受构件形状、载荷、环境和裂纹长度等因素的影响。因此,除非在实际使用过程中测量构件的裂纹闭合情况,否则在实验室里做出来的试验结果不能用来预测构件中的裂纹扩展速率。1970年,Ritchie研究钢中裂纹扩展的近门槛值时发现:在真空环境下,应力比R对门槛值几乎没有影响,首度质疑了裂纹闭合的存在性和所起的作用。在前人研究的基础上,美国海军实验室的

复合型疲劳裂纹研究的现状与展望

鞍钢技术 复合型疲劳裂纹研究的现状与展望 田常海 (鞍钢技术中心) 摘要 介绍了国内外有关学者对复合型疲劳裂纹扩展的研究情况及试验结果,并对他们的理论加以详细论述,同时提出了今后这一领域的研究方向。 关键词 疲劳裂纹 扩展 Now aday Sit uation and Perspective of the Invest igation of Composite Fatig ue Crack Tian Changhai (AISC Technolog y Center) Abstract T his a rticle intr oduces t he situation of the study on co mposite fatigue cr ack spread-ing by the fo reign ex per ts and the ex per iment results,gives t he detail discussion o n their theo ry, and point s o ut the direction of t he study in t his f ield as w ell. Key Words fatig ue crack spr ead 1 引 言 疲劳裂纹的扩展取决于部件所用的材料性质、几何形状及受载情况等,过去对于疲劳裂纹扩展的描述在工程上一般都基于Paris 公式,它对描述纯Ⅰ型疲劳裂纹扩展是成功的。但是,实际工程中的大多数情况并非是纯Ⅰ型的,而往往是复合型受载,在复合型加载条件下,含有Ⅱ型裂纹的复合型裂纹往往改变原裂纹的扩展方向,含有Ⅲ型裂纹的复合 田常海 工学博士 鞍钢技术中心金检室 邮编 114001型裂纹往往发生裂纹面的扭转,对这一情况, Paris公式便无能为力。于是一些学者进行了Ⅰ-Ⅱ、Ⅰ-Ⅲ复合型裂纹扩展试验,提出了描述复合型裂纹扩展的理论。 2 Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹的扩展 2.1 Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹门槛值试验 Qao H ua〔1〕等人利用单边缺口试样(受非对称的四点弯曲循环加载和含倾斜裂纹板试样承受循环双轴拉伸)进行了大量的铁合金和有色合金疲劳裂纹门槛值试验,获得了Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹门槛值分布图,如图1所示。图1中的实线表示下限门槛值,低于此值

疲劳裂纹扩展

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不锈钢304L的疲劳裂纹扩展模拟 Feifei Fan, Sergiy Kalnaus, Yanyao Jiang (美国内华达大学机械工程学院) 摘要:一个基于最近发展的疲劳方法的实验用来预测不锈钢304L的裂纹扩展。这种疲劳方法包括两个步骤:(1)材料的弹塑性有限元分析;(2)多轴疲劳标准在基于有限元分析的可输出的拉伸实验的裂纹萌生与扩展预测中的应用。这种有限元分析具有这样的特点:能够实现在先进循环塑性理论下扑捉材料在常幅加载条件下重要的循环塑性行为。这种疲劳方法是基于这样的理论:当累计疲劳损伤达到一个特定值时材料发生局部失效,而且这种理论同样适用于裂纹的萌生与扩展。所以,一组材料特性参数同时用来做裂纹的萌生与扩展预测,而所有的材料特性参数都是由平滑试样试验产生。这种疲劳方法适用于I型紧凑试样在不同应力比和两步高低加载顺序下等幅加载的裂纹扩展。结果显示,这种疲劳方法能够合理的模拟在试验上观察到的裂纹扩展行为,包括刻痕影响、应力比的影响和加载顺序的影响。另外,这种还方法能够模拟从刻痕到早期的裂纹扩展和疲劳全寿命,而且预测的结果和试验观察的结果吻合得很好。 关键词:累计损伤;疲劳裂纹扩展;疲劳标准 1 .简介 工程承压设备经常承受到循环加载,一般说来,疲劳过程有三个阶段组成:裂纹萌生和早期裂纹扩展、稳定裂纹扩展和最后的疲劳断裂。裂纹扩展速率dN da/通常被表示为重对数图尺在应力强度因素范围上的一个功能。在常幅加载下,不同应力比时稳定的裂纹扩展结果通常服从Paris公式和其修正公式。常幅疲劳加载下不同材料的行为不同。有些材料表现为应力比的影响:在相同应力比时,裂纹扩展速率曲线一致,但是,应力比增大时,裂纹扩展速率也增大。而其他金属材料没有表现出任何应力比的影响,而且在恒幅加载其裂纹扩展速率曲线在重对数图纸上重合。 在变幅加载条件下疲劳裂纹扩展行为作为另一个课题已经研究了若干年了。过载和变幅加载的应用对疲劳裂纹扩展研究产生了重大的影响。对于大多数金属材料而言,上述加载方法的应用导致疲劳裂纹扩展速率减慢。基于线弹性断裂力学的理论,这种过渡行为经常使用应力强度因子和通过引入在稳定裂纹扩展状态下的Paris公式的修

疲劳断裂失效分析

1 5.1疲劳断裂失效的基本形式和特征 5.2疲劳断口形貌及其特征 5.3疲劳断裂失效类型与鉴别 5.4疲劳断裂失效的原因与预防 第5章疲劳断裂失效分析 2?按应力循环次数 当Nf>105时为低应力高周疲劳(通常所指) 当Nf<10 4时为高应力低周疲劳?按服役的温度及介质条件 机械疲劳、高温疲劳、低温疲劳 冷热疲劳、腐蚀疲劳?基本形式 切断疲劳:面心立方在单向压缩、拉伸及扭转条件下多以切断形式破坏 正断疲劳:大多数的金属构件的疲劳失效都是以此形式进行的,特别是体心立方金属 3 ?疲劳断裂的突发性?疲劳断裂应力很低 ?疲劳断裂是一个损伤积累的过程?疲劳断裂对材料缺陷的敏感性?疲劳断裂对腐蚀介质的敏感性 4 典型的疲劳断口一般有三个区,即疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时破断区。疲劳断口的宏观特征与静载破坏的脆性断口相似,无明显的宏观塑性变形。 5 ?疲劳核心是疲劳破坏的起点,它总是位于零件强度最低或应力最高的地方。 ?零件承受弯曲、扭转疲劳负荷时,最大应力区是在零件的表面。 ?零件表面的加工刀痕、凹槽、尖角、台肩等处由于应力集中往往成为疲劳源。 ?如果零件内部存在缺陷,如脆性夹杂物、白点、空洞、化学成分的偏析等,则可能在零件内部产生疲劳源。 1、疲劳核心(或称疲劳源) 6 ù疲劳源的数目可以不止一个,在名义应力较高或是应力集中较为严重时,在高应力区域就可能产生几个疲劳源。 ù疲劳源的位置用肉眼或低倍放大镜就能判断,一般在疲劳区中磨得最光亮的地方。 ù在断口表面同时存在几个疲劳源的情况下,可按疲劳线的密度来确定疲劳源产生的次序,疲劳线的密度越大,表示起源的时间越早。

7 疲劳断口上最重要的特征区域 该区域上常有疲劳断裂独特的宏观标志,如贝纹状、蛤壳状、海滩波纹等。 贝纹线以疲劳源为中心,向四周推进呈弧形线条,垂直于 裂纹扩展方向。 对于光滑试样,疲劳弧线的圆心一般指向疲劳源区。扩展到一定程度时,也可能出现疲劳弧线的转向现象 当试样表面有尖锐缺口时,疲劳弧线的圆心指向疲劳源区的相反方向。 在低周疲劳断口上一般也不常能观察到贝壳状条纹线。 8 $疲劳裂纹达到临界尺寸后发生的快速破断,它的特征与 静拉伸断口中快速破坏的放射区及剪切唇相同,但有时仅出现剪切唇而无放射区。$对于非常脆的材料,此区为结晶状断口,即使是塑性良好的合金钢或铝合金,疲劳断件断口附近通常也观察不到宏观的塑性变形。 9 10 6与静载拉伸断裂时不同,拉压疲劳断裂的疲劳核心多源于表面而不是内部。缺口试样由于缺口根部有应力集中故靠近表面裂纹扩展快,结果形成波浪形的疲劳弧线。高应力导致疲劳稳定扩展区较小,而最终断裂区所占比例较大。 6旋转弯曲的疲劳源区一般出现在表面,但无固定地点,疲劳源可 以为多个。疲劳源区和最后断裂区相对位置一般总是相对于轴的旋转方向而逆转一个角度。而高应力集中时,最终撕裂面移向中心,呈现棘轮花样。交变扭转载荷也出现这种花样 6双向弯曲的疲劳源区可能在零件的两侧表面,最后断裂区在截面内部。在高名义应力下,光滑的和有缺口的零件瞬断区的面积都大于扩展区,且位于中心部位,形状似腰鼓形。随着载荷和应力程度的提高,瞬断区的形状逐渐变形成为椭圆形。在低名义应力下,两个疲劳核心并非同时产生,扩展速度也不一样,所以断口上的疲劳断裂区一般不完全对称,瞬断区偏离中心位置。 11 D第一阶段为切向扩展阶段。在交变应力作用下,使滑移形成的裂纹源扩展形成可观察的裂纹,裂纹尖端将沿着与拉伸轴呈45°角方向的滑移面扩展。该阶段中裂纹扩展范围较 小,一般在2~5个晶粒之内。 D第二阶段为正向扩展阶段。裂纹从原来与拉伸轴呈45 °的滑移面,发展到与拉伸轴呈90 °,该阶段的断口具有引人注目的独特形态-疲劳辉纹。 D第三阶段是由于裂纹扩展到一定长度后,使构件的有效截面减少而造成的一次性快速断裂,断口特征常为韧窝型撕裂。 12疲劳辉纹的一般特点 (1)疲劳裂纹是一系列基本上相平行的条纹,略带弯曲呈波浪形,并与裂纹局部扩展方向相垂直,其凸弧面指向裂纹扩展方向。 (2)在疲劳裂纹稳定扩展阶段,所形成的每一条辉纹相当于一次载荷循环。辉纹确定了裂纹前沿线在前进时的位置。(3)疲劳辉纹的间距随应力场强度因子而变化,应力越大,间距越宽;反之应力越小,则间距越窄。 (4)疲劳断口的微观范围内,通常由许多大小不同、高低不一的小断块组成,每一小断块上的疲劳辉纹连续且平行,而相邻小断块上的疲劳辉纹不一定连续和平行。(5)断口的两匹配面上的辉纹基本对应。

用现有疲劳试验数据确定疲劳裂纹扩展率

用现有疲劳试验数据确定疲劳裂纹扩展率 收录:《中国造船》 - 2003年,03期 作者:周驰 关键词:船舶 疲劳寿命的预报在船舶与海洋工程领域中相当重要,但其关键问题是要找到一种较科学的疲劳寿命预报方法.最近,本文第二作者提出了一种海洋结构物疲劳寿 命预报的统一方法.该方法是基于疲劳裂纹扩展理论而发展起来的,在其九个参 数模型的假设之下,能够较好地解释一些其它方法所不能解释的现象.采用该方 法的主要障碍在于需要确定疲劳裂纹扩展率.作者通过对不同的疲劳裂纹扩展率的比较研究,并推广McFvily模型后,提出了一个具有较宽适用范围的九个参数 疲劳裂纹扩展率模型(从门槛域一直到不稳定断裂域).本文的主要目的是解决如何根据一些现有的疲劳试验数据来确定这九个模型参数的问题.文中给出了通过实验数据确定裂纹扩展率模型中各个参数的方法,并进行了模型参数的灵敏度分析.通过对文献中一些试验数据的收集,给出了几种常用金属材料的裂纹扩展率 模型参数. Determination of Fatigue Crack Growth Rate Using Existing Data 正在加载... 确定疲劳裂纹扩展理论门槛值的方法 Methods of Determination of Fatigue Crack Growth Theoretical Threshold 疲劳裂纹扩展 疲劳裂纹扩展理论门槛值ΔKthT的方法,特别对利用疲劳裂纹扩展速率表达式、根据da/dN~ΔK试验数据外推确定ΔKthT的三种方法作了较为详细的介绍,并用四套试验数据进行评估,结果显示,如果所采用的表达式能够正确反映近

金属材料疲劳研究综述

金属材料疲劳研究综述 摘要:人会疲劳,金属也会疲劳吗?早在100多年前,人们就发现了金属也是会疲劳的,并且发现了金属疲劳带给人们各个方面的危害,所以研究金属材料的疲劳是非常有必要的。本文主要讲述了国内外关于金属疲劳的研究进展,概述了金属产生疲劳的原因及影响因素,以及金属材料疲劳的试验方法。 关键词:金属材料疲劳裂纹疲劳寿命 一.引言 金属疲劳的概念,最早是由J.V.Poncelet 于1830 年在巴黎大学讲演时采用的。当时,“疲劳”一词被用来描述在周期拉压加载下材料强度的衰退。引述美国试验与材料协会( ASTM) 在“疲劳试验及数据统计分析之有关术语的标准定义”( EZ06-72) 中所作的定义: 在某点或某些点承受挠动应力,且在足够多的循环挠动作用之后形成裂纹或完全断裂时,材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程,称为“疲劳”。金属疲劳是指材料、零构件在循环应力或循环应变作用下,在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤,经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。在材料结构受到多次重复变化的载荷作用后,应力值虽然始终没有超过材料的强度极限,甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏,这种在交变载荷重复作用下材料和结构的破坏现象,就叫做金属的疲劳破坏。据统计金属材料失效80%是由于疲劳引起的,且表现为突然断裂,无论材料为韧性材料还是塑性材料都表现为突然断裂,危害极大,所以研究金属的疲劳是

非常有必要的。 由于金属材料的疲劳一般难以发现,因此常常造成突然的事故。早在100多年以前,人们就发现了金属疲劳给各个方面带来的损害。由于但是条件的限制,还不能查明疲劳破坏的原因。在第二次世界大战期间,美国的5000艘货船共发生1000多次破坏事故,有238艘完全报废,其中大部分要归咎于金属的疲劳。2002 年 5 月,华航一架波音747-200 型客机在由台湾中正机场飞往香港机场途中空中解体,19 名机组人员及206名乘客全部遇难。调查发现,飞机后部的金属疲劳裂纹造成机体在空中解体,是导致此次空难的根本原因。直到出现了电子显微镜之后,人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得了新的成果,才开发出一些发现和消除金属疲劳的手段。 二.金属疲劳的有关进展 1839年巴黎大学教授在讲课中首先使用了“金属疲劳”的概念。1850一1860年德国工程师提出了应力-寿命图和疲劳极限的概念。1870一1890年间,Gerber研究了平均应力对疲劳寿命的影响。Goodman提出了考虑平均应力影响的简单理论。1920年Griffith发表了关于脆性材料断裂的理论和试验结果。发现玻璃的强度取决于所包含的微裂纹长度,Griffith理论的出现标志着断裂力学的开端。1945年Miner用公式表达出线性积累损伤理论。五十年代,力学理论上对提出应力强度因子K的概念。六十年代,Manson—Coffin公式概括了塑性应变幅值和疲劳寿命之间的关系。Paris在1963年提出疲劳裂纹扩展速率da/dN和应力强度因子幅值?k之间的关系。1974年,美

金属材料疲劳裂纹扩展速率实验

一. 《金属材料疲劳裂纹扩展速率实验》 实验指导书 飞机结构强度实验室 2007年3月

金属材料疲劳裂纹扩展速率实验 1 试验目的 1.了解疲劳裂纹扩展试验的基本原理 2.掌握金属材料疲劳裂纹扩展速率试验测定方法 3.掌握疲劳裂纹扩展试验测定装置的使用方法 4.掌握疲劳裂纹扩展数据处理方法 2 基本原理 结构在交变载荷的作用下,其使用寿命分为裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命两部分。裂纹形成寿命为由微观缺陷发展到宏观可检裂纹所对应的寿命,裂纹扩展寿命则是由宏观可检裂纹扩展到临界裂纹而发生破坏这段区间的寿命,裂纹扩展由断裂力学方法确定。 2.1疲劳裂纹扩展速率 裂纹扩展速率dN da ,即交变载荷每循环一次所对应的裂纹扩展量,在疲劳裂纹扩展过程中,dN da 不断变化,每一瞬时的dN da 即为裂纹长度a 随交变载荷循环数N 变化的N a -曲线在该点的斜率。裂纹扩展速率dN da 受裂纹前缘的交变应力场的控制,主要是裂纹尖端的交变应力强度因子的范围K ?和交变载荷的应力比R 。线弹性断裂力学认为,在应力比不变的交变载荷的作用下,dN da 随K ?的变化关系在双对数坐标系上呈图1所示的形状。 Ⅰ Ⅱ Ⅲ log (?K ) ?K c ?K th log(d a /d N ) 图1 d d a N K -?曲线形状 K dN da ?-曲线分成三个阶段:低速扩展段I 、稳定扩展段II 和快速扩展段III ,阶段I 存在的垂直渐进线th K K ?=?称为裂纹扩展门槛值,当th K K ?

金属材料疲劳研究综述资料讲解

金属材料疲劳研究综 述

金属材料疲劳研究综述 摘要:人会疲劳,金属也会疲劳吗?早在100多年前,人们就发现了金属也是会疲劳的,并且发现了金属疲劳带给人们各个方面的危害,所以研究金属材料的疲劳是非常有必要的。本文主要讲述了国内外关于金属疲劳的研究进展,概述了金属产生疲劳的原因及影响因素,以及金属材料疲劳的试验方法。 关键词:金属材料疲劳裂纹疲劳寿命 一.引言 金属疲劳的概念,最早是由 J. V. Poncelet 于 1830 年在巴黎大学讲演时采用的。当时,“疲劳”一词被用来描述在周期拉压加载下材料强度的衰退。引述美国试验与材料协会( ASTM) 在“疲劳试验及数据统计分析之有关术语的标准定义”( EZ06-72) 中所作的定义: 在某点或某些点承受挠动应力,且在足够多的循环挠动作用之后形成裂纹或完全断裂时,材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程,称为“疲劳”。金属疲劳是指材料、零构件在循环应力或循环应变作用下,在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤,经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。在材料结构受到多次重复变化的载荷作用后,应力值虽然始终没有超过材料的强度极限,甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏,这种在交变载荷重复作用下材料和结构的破坏现象,就叫做金属的疲劳破坏。据统计金属材料失效80%是由于疲劳引起的,且表现为突然断裂,无论材

料为韧性材料还是塑性材料都表现为突然断裂,危害极大,所以研究金属的疲劳是非常有必要的。 由于金属材料的疲劳一般难以发现,因此常常造成突然的事故。早在100多年以前,人们就发现了金属疲劳给各个方面带来的损害。由于但是条件的限制,还不能查明疲劳破坏的原因。在第二次世界大战期间,美国的5000艘货船共发生1000多次破坏事故,有238艘完全报废,其中大部分要归咎于金属的疲劳。2002 年 5 月,华航一架波音747-200 型客机在由台湾中正机场飞往香港机场途中空中解体,19 名机组人员及 206名乘客全部遇难。调查发现,飞机后部的金属疲劳裂纹造成机体在空中解体,是导致此次空难的根本原因。直到出现了电子显微镜之后,人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得了新的成果,才开发出一些发现和消除金属疲劳的手段。 二.金属疲劳的有关进展 1839年巴黎大学教授在讲课中首先使用了“金属疲劳”的概念。1850一1860年德国工程师提出了应力-寿命图和疲劳极限的概念。1870一1890年间,Gerber研究了平均应力对疲劳寿命的影响。Goodman提出了考虑平均应力影响的简单理论。1920年Griffith发表了关于脆性材料断裂的理论和试验结果。发现玻璃的强度取决于所包含的微裂纹长度,Griffith理论的出现标志着断裂力学的开端。1945年Miner用公式表达出线性积累损伤理论。五十年代,力学理论上对提出应力强度因子K的概念。六十年代,Manson—Coffin公

钢结构基本原理第八章 钢结构的脆性断裂和疲劳

第8章 钢结构的脆性断裂和疲劳 8.1 钢结构脆性断裂及其防止 8.1.1 脆性断裂破坏 脆性破坏: 结构的最终破坏是由于其构件的脆性断裂导致的。 特点:无塑性发展或很小,断裂时伸长量极其微小,没有破坏的预兆。 脆性破坏分类 ①过载断裂:由于过载,强度不足而导致的断裂。 特点:破坏速度快,主要是钢丝束、钢绞线和钢丝绳等。 ②非过载断裂:塑性很好的钢构件在缺陷、低温等因素影响下突然呈脆性断裂 ③应力腐蚀断裂:在腐蚀性环境中承受静力或准静力荷载作用的结构,在远低于屈服极限的应力状态下发生的断裂,强度越高则对应力腐蚀断裂越敏感。 ④疲劳断裂与腐蚀疲劳断裂:在交变荷载作用下,裂纹的失稳扩展导致的断裂,高周:循环周数在105以上者,低周:只有几百或几十次, 环境介质导致或加速疲劳裂纹的萌生和扩展称为腐蚀疲劳。 ⑤ 氢脆断裂: 氢使材料韧性降低而导致的断裂 钢结构的非过载脆性破坏P302 8.1.2脆性断裂的防止 构件不出现非过载脆性断裂的条件IC I K K ≤=σπα(含义见书) 为了防止脆性断裂,需要从三个方面着手: 1.钢材选择(保证足够韧性IC K ) 材料韧性指标:冲击韧性。 碳素钢:夏比V 形缺口冲击功不低于27J ; 低合金高强度结构钢:夏比V 形缺口冲击功不低于34J ; 公路钢桥和吊车梁在翼缘板厚度不超过4Omm ,按所处最低温度加40℃级别要求; 公路钢桥和吊车梁在翼缘板厚度超过 4Omm, 降低最低温度; 低温地区避免用厚度大的钢板,必须用厚板时,应提高对冲击韧性的要求或进行全厚度韧性试验。 2.初始裂纹:减小初始裂纹,避免形成裂缝间隙,保证焊缝质量,限制和避免焊接缺陷,焊缝表面不得有裂纹; 3.应力:缓和应力集中,减小应力值,避免受到约束而产生高额残余应力 4.结构形式与构造细节:超静定结构优于静定结构:由于地基不均匀沉陷会导致严重不利的内力重分布。静定结构采用多路径传递荷载优于单路径传递荷载。单个构件:多路径组织要优于单路径组织 焊接受弯构件的受拉翼缘,当弯矩很大,需要选取较厚的翼缘时,从抗断裂的

腐蚀疲劳断口分析

西安石油大学本科课程设计(论文) 课程设计(论文) 题目:钻杆钢腐蚀疲劳的断口分析学院(系):材料科学与工程学院 专业:金属材料工程 班级:金材1002 学生姓名:李佳典 指导教师:雒设计 所在单位:西安石油大学 完成时间:2013年9月

目录 1.引言 (2) 2. 钻杆钢 (2) 2.1 钻杆钢的分类及应用 (2) 2.2 钻杆钢在腐蚀环境下的失效分析 (2) 3. 实验方法 (3) 3.1 实验材料的选用 (3) 3.2 断口的制备和保存及注意事项 (4) 4. 腐蚀疲劳的断口形貌分析 (4) 4.1 宏观断口形貌特征分析 (5) 4.2 疲劳裂纹源的微观断口形貌特征分析 (6) 4.3 疲劳裂纹扩展区的微观断口形貌特征分析 (7) 5. 结果分析 (8) 5.1 钻杆钢腐蚀疲劳断口形貌特征的影响因素 (8) 6. 结论 (8) 参考文献 (9)

1.引言 许多工程结构件的使用状态,不但是处于交变载荷和常温大气的条件下,而大多数是经受交变载荷和腐蚀介质的共同作用。金属的腐蚀疲劳[1]是工程中经常出现的一种现象,钻探管道,压缩机和燃气轮的叶片,舰船用螺旋桨和舵,蒸汽和水管道,化学工业中的泵轴等,往往遭受到腐蚀疲劳破坏。所以,随着现代化工业的发展,腐蚀疲劳已成为在石油、化工、冶金和海洋灯用钢结构中的重要研究课题之一。国外非常重视腐蚀疲劳研究工作,1973年召开过国际腐蚀疲劳会议。近些年来,已将断裂力学应用于腐蚀疲劳研究中,但是,国内对金属腐蚀疲劳研究很少。 鉴于我国目前海水用钢和抗硫化氢用钢等防腐蚀用钢发展的需要,应积极采取措施在现有疲劳试验机上增加腐蚀装置,大力开展腐蚀疲劳的实验研究工作。 2. 钻杆钢 2.1 钻杆钢的分类及应用 石油钻杆一般采用中碳合金钢,钢管都以热处理状态交货,通常采用调质热处理,得到回火索氏体组织,其具有良好的综合机械性能。按美国石油学会标准API5D钻杆按钢级可分为E-75,X-95,G-105,S-135,短线后的数字代表最小屈服强度,其中S135材质相对于36CrNiMo,36CrMnMo,30CrMn,也可以采用不锈钢材质,如00Cr13Ni5Mo。 钻杆是尾部带有缧纹的钢管,用于连接钻机地表设备和位于钻井底端钻磨设备或底孔装置。钻杆的用途是将钻探泥浆运送到钻头,并与钻头一起提高、降低或旋转底孔装置。钻杆必须能够承受巨大的内外压、扭曲、弯曲和振动。在油气的开采和提炼过程中,钻杆可以多次使用,钻杆的长度一般在九米左右。 光管和原钢管材在经过多次加工步骤后被制成钻杆。首先,通过钢管加厚工序的处理,光管外表面向内弯,钢管管壁加厚。下一步,进行螺纹加工并镀上能够增加强度的铜。然后进行非破坏性质量控制检验,随后进行钢管管体接头的焊接。而后,管体会经历焊接热处理和焊接最终处理,以消除焊接残余压力。在对成品钻杆进行渡漆和包装前要对钢管成品进行其他的一些检测,包括硬度测试,压力测试和非破坏性测试。 2.2 钻杆钢在腐蚀环境下的失效分析 钻杆腐蚀疲劳失效[2,3], 是腐蚀介质和弯曲交变载荷共同作用的结果从大量钻杆失效分析中观察到,腐蚀疲劳失效大都发生在内加厚过渡区终了处,即接头端面0.5~1.0m

钢轨踏面疲劳裂纹扩展行为分析_王建西

第26卷第2期 华 东 交 通 大 学 学 报V o.l 26 N o .2 2009年4月Journa l o f East Ch i na Jiao tong U ni v ers it y A pr .,2009收稿日期:2009-01-13 基金项目:教育部博士点基金新教师项目资助课题(200802471003)作者简介:王建西(1979-),男,河南许昌人,博士研究生。 文章编号:1005-0523(2009)02-0001-07 钢轨踏面疲劳裂纹扩展行为分析 王建西,许玉德,曹 亮 (同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,上海201804) 摘要:根据试验观察的裂纹尖端特征,建立了钝形疲劳裂纹模型,以裂纹尖端位移为断裂参量,分析了U 75V 钢弹塑性情况下踏面疲劳裂纹扩展特性。结果显示:踏面疲劳裂纹尖端有较大的塑性区,应采用弹塑性断裂力学理论分析踏面疲劳裂纹的扩展行为;裂纹尖端滑动位移受轮轨力、轮轨摩擦系数和裂纹面摩擦系数影响,其中裂纹面摩擦系数对裂纹尖端滑动位移影响最大。裂纹尖端张开位移主要受轮轨力和轮轨摩擦系数影响。利用塑性复合系数分析踏面疲劳裂纹扩展特性,认为踏面疲劳裂纹主要以?/ò复合型扩展方式扩展。 关 键 词:钢轨;弹塑性;钝形裂纹;裂纹尖端位移;复合裂纹 中图分类号:U 213.42 文献标识码:A 随着列车提速和重载列车的开行,钢轨轨面伤损成增加趋势 [1、2]。在钢轨轨面伤损中,钢轨踏面疲劳裂纹是其中一种重要的伤损形式。钢轨踏面疲劳裂纹的产生不仅影响行车品质,甚至可能导致断轨,危及行车安全 [3]。为了分析疲劳裂纹的扩展行为,很多学者进行了深入的研究。R ingsber g JW 等利用有限元[4、5],M akoto AKAMA 等利用边界元[6]采用线弹性断裂力学对疲劳裂纹的扩展行为进行了分析;李晓宇 等分析了轮轨接触位置对应力强度因子的影响[7]。这些研究中大都是分析了弹性状态下疲劳裂纹扩展 特性,但试验研究发现裂纹尖端存在明显的塑性变形,裂纹尖端钝化 [8、9]。本文建立了考虑材料弹塑性特点的钝形踏面疲劳裂纹模型,对踏面疲劳裂纹扩展特性进行了分析。这将为建立疲劳裂纹扩展速率模型 提供依据,为制定预防疲劳裂纹的措施提供理论指导。1 踏面疲劳裂纹模型 踏面裂纹是轮轨反复作用的结果,而随着轮轨反复接触,轮轨产生磨耗,轮轨接触表面不断发生变化,轨顶圆弧会被磨成平面形状,这样可以把轮轨接触看作是一圆柱体作用在平面上,因此,假设轮轨接触是一种平稳接触,建立二维滚动接触模型来分析疲劳裂纹扩展特性。文献[10]认为轮轨在轨顶接触时赫兹接触应力与采用弹塑性有限元计算的接触应力差异不大,因此,以移动荷载模拟车轮的滚动;轮轨接触应力为二维赫兹分布[11]: p (x )=P 01-x -e b 2(1)

疲劳裂纹扩展实验准备

疲劳裂纹扩展和热解碳复合材料的断裂 热解碳在人工心脏瓣膜上的成功应用已经有了很长一段时间的历史了。稳定疲劳裂纹扩展的证实使人们对于了解什么情况下会发生稳定疲劳裂纹扩展现象产生了浓厚的兴趣。在人工心瓣的许多应用中,制作材料都是采用的以石墨为核心,以热解碳为两侧表面的三层复合形式。这篇文章描述的实验就是针对研究石墨、整体热解碳和这种三层结构的石墨与热解炭的复合体进行的。 实验的主要目的是遵循ASTM标准E647的实验步骤来确定疲劳裂纹扩展率。此外,在疲劳测试完成之后,也可以通过相同的试样来确定平面应变断裂韧性K IC。其测试的步骤遵循ASTM标准E399. 试验样品 实验样品是一种对ASTM标准E399的圆盘紧凑拉伸样品DC(T)进行了改进的试样。这种样品与标准样品的稍微不同在于它没有被削平的部分也就是说没有尺寸c,形状上是一个完整的圆形。其公称直径为25.4mm,并且带着一个机械加工出来的4.8mm的裂纹,这个机械裂纹宽度为0.2mm,其尖端圆角半径为0.1mm。(样品的边缘是否可以有涂层,对结果会有什么影响?) 其中有一组复合试样,(这里所说的一组是复合样品的哪一组,还是所有的复合样品都是这种形式?)其试样中间有一个直径为3.2mm的孔,所以其机

械裂纹的长度名义上就变为8.0mm。这个机械加工缺口越过中间孔向试样背面延伸了大约0.5mm。(这里有孔样品与没有孔的样品在实验过程和结果上有区别没有?) 因为使用的试验样品和ASTM标准的E399DC(T)样品稍有不同,所以这里把K1值作为裂纹尺寸的函数,并采用有限元分析去确定K1值。(应力强度因子K1值与△K如何确定,可以直接读出还是需要自己计算?)结果显示,对于E399样品的描述同样适用于现在这种试验样品,并且误差在2%范围之内。这样的话,所有的计算过程都可以依据E399DC(T)样品的步骤来进行。 许多的实验圆片都是用中间是石墨、外围涂层是热解碳的三层复合材料制成。因为两种材料的弹性模量不同,所以在每一层上,给定的裂纹长度所对应的应力强度因子也不尽相同。在这篇文章中,假设所有的圆盘都具有一致的弹性模量,根据E399计算出了所有的应力强度因子的数据。 实验材料 石墨的样品是由半导体石墨股份有限公司利用石墨块切削加工制成的。根据钨的含量分为两个等级,AXF-5Q(含钨0%)和AXF-5Q10W(含钨10%)。(这里石墨样品的厚度为多少?) 单片热解碳样品是这样制成的:先在石墨圆盘两侧表面上涂覆0.69mm厚

45钢轴类零件断裂分析及预防

eat Treatment H热处理 45安徽省宿州模具热处理研究中心 (234000) 赵昌胜 安徽省煤田地质局水文勘探队机厂 (234000) 杨 峰 崔 晴 45钢由于价格便宜,来源方便,加工性能好, 淬火后具有较高的硬度,调质处理后具有良好的强 韧性、高的强度和一定的耐磨性,被广泛地应用于 中低档的轴类零件。但是45钢轴在热处理过程中, 由于材料本身的原因,热加工不当和热处理工艺安 排不合理,往往容易产生热处理断裂或在工作中发 生早期失效,造成产品报废,严重影响生产。 1. 柴油机曲轴热处理产生的裂纹及预防 某柴油机厂生产一批柴油机曲轴,该工厂采用 圆钢锻造,为了赶工期,采取的加工工序是:下料 →锻造→粗加工→调质→精加工→检验入库。该批 曲轴在淬火后,一部分曲轴的曲拐处产生裂纹,造 成了产品报废。 分析工序安排可看出,因为锻后没有进行退 火或正火,钢材在锻造时产生的锻造应力没有很 好地被消除,因此在热处理淬火时,淬火产生的 应力和原来轴中存在的应力叠加,当叠加应力超 过材料的强度极限时,45钢曲轴表面应力集中处 即产生裂纹。 针对45钢锻造曲轴产生裂纹原因,对45钢锻造 后的曲轴进行正火热处理,不仅消除了锻造产生的 1. 喷砂清理 采用手动压缩空气(0.5~0.6MPa)喷枪,经 过压缩空气带动细石英砂向螺纹部表面喷射清理。 喷砂清理时注意,应及时转动齿轮,不得过度清理 某处,以防其尺寸减小。喷砂采用的压缩空气应经 过滤,保证无油、无水。此方法特点是清理效率较 高,但现场粉尘较大,应安装除尘装置。图5为齿 轮喷砂清理示意。 2. 钢丝轮清理 利用电动机带动钢丝轮传动机构,设计并制成 合理的主动齿轮卡位机构,以利于对主动齿轮尾部 螺纹等进行均匀、彻底、安全的清理。此方法特点 是清理干净,效率高。图6为主动齿轮螺纹清理机 示意。 图5 齿轮喷砂清理示意 1.转台 2.喷嘴 3.枪体 4.主动齿轮 3.化学清理 将涂覆涂料部位浸泡在温度为60~80℃的10% ~15%NaOH溶液中2~3h,可使其残留的防渗涂层 溶解。(20111103) 图6 主动齿轮螺纹清理机示意 1.电动机 2.防护罩 3.钢丝轮 4.齿轮 5.卡位机构

金属材料 疲劳试验 疲劳裂纹扩展方法(标准状态:现行)

I C S77.040.10 H22 中华人民共和国国家标准 G B/T6398 2017 代替G B/T6398 2000 金属材料疲劳试验疲劳裂纹扩展方法M e t a l l i cm a t e r i a l s F a t i g u e t e s t i n g F a t i g u e c r a c k g r o w t hm e t h o d (I S O12108:2012,MO D) 2017-07-12发布2018-04-01实施中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局

目 次 前言Ⅲ 1 范围1 2 规范性引用文件1 3 术语和定义1 4 符号和缩写3 5 试样5 6 试验设备13 7 试验步骤1 8 8 裂纹长度测量21 9 计算22 10 试验报告23 附录A (资料性附录) 裂纹长度的非目测法测量 电位法28 附录B (资料性附录) 裂纹长度的非目测法测量 柔度法30 附录C (资料性附录) 含水介质中疲劳裂纹扩展测定的特殊要求36 附录D (资料性附录) 疲劳小裂纹扩展测定方法40 附录E (资料性附录) 疲劳裂纹张开力的测定方法44 参考文献48

前言 本标准按照G B/T1.1 2009给出的规则起草三 本标准代替G B/T6398 2000‘金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法“,与G B/T6398 2000相比主要技术变化如下: 修改了标准的适用范围(见第1章); 修改了规范性引用文件(见第2章); 修改了符号二定义,将其分为术语和定义二符号和说明两章(见第3章二第4章,2000版第3章); 修改了试样类型(见第5章,2000版第4章); 修改了试验设备要求(见第6章,2000版第5章); 修改了试验程序要求,本标准用第7章试验步骤和第8章裂纹长度测量来阐述对试验过程的要求; 修改了试验结果的处理和计算的要求(见第9章,2000版第7章二第8章); 删除了有效性试验数据的判据;删除了对高应变硬化材料的有效性试验数据的判据要求;删除了应力强度因子计算部分的内容; 删除原标准附录A内容;将原标准附录D作为本标准附录A(资料性附录);将原标准附录E 作为本标准附录D(资料性附录);将原标准附录F作为本标准附录E(资料性附录);增加本标 准附录C(资料性附录)含水介质中疲劳裂纹扩展速率测试的试验程序的要求三 本标准使用重新起草法修改采用I S O12108:2012‘金属材料疲劳试验疲劳裂纹扩展方法“三主要结构与国际标准一致三本标准对I S O12108:2012在以下方面进行了修改和补充,并在正文中它们所涉及的条款的页边空白处用垂直单线标识: 关于规范性引用文件,本标准做了具有技术性差异的调整,以适应我国的技术条件,调整的情 况集中反映在第2章 规范性引用文件 中,具体调整如下: ?用修改采用国际标准的G B/T25917代替I S O4965.1(见6.1.1); ?增加引用了G B/T10623(见第3章); ?增加引用了G B/T16825.1(见6.1.3); ?增加引用了I S O23788(见6.1.2)三 增加预裂纹长度的术语及定义(见3.20); 纠正I S O12108:2012的错误,将I S O12108:2012中 ΔK t h定义为裂纹扩展速率等于10-8mm/c y c l e时对应的ΔK值 ,修改为 ΔK t h定义为裂纹扩展速率等于10-7mm/c y c l e时 对应的ΔK值 (见9.3); 为与新的国际标准I S O23788‘金属材料疲劳试验机同轴度校准“要求保持一致,修改了试验 机同轴度的要求(见6.1.2,I S O12108:20125.1.2); 按照I S O23788关于加载同轴度的计算公式,删除了国际标准弯曲应变的计算公式(见6.1.2, I S O12108:20125.4.5)三 本标准还做了下列编辑性修改: 将I S O12108:2012的第5章 试验设备 和第6章 试样 的前后顺序进行了调整; 增加资料性附录B:裂纹长度非目测法测量 柔度法; 增加资料性附录C:含水介质中疲劳裂纹扩展测定的特殊要求; 增加资料性附录D:疲劳小裂纹扩展测定方法;

疲劳裂纹扩展

不锈钢304L的疲劳裂纹扩展模拟 Feifei Fan, Sergiy Kalnaus, Yanyao Jiang (美达大学机械工程学院) 摘要:一个基于最近发展的疲劳方法的实验用来预测不锈钢304L的裂纹扩展。这种疲劳方法包括两个步骤:(1)材料的弹塑性有限元分析;(2)多轴疲劳标准在基于有限元分析的可输出的拉伸实验的裂纹萌生与扩展预测中的应用。这种有限元分析具有这样的特点:能够实现在先进循环塑性理论下扑捉材料在常幅加载条件下重要的循环塑性行为。这种疲劳方法是基于这样的理论:当累计疲劳损伤达到一个特定值时材料发生局部失效,而且这种理论同样适用于裂纹的萌生与扩展。所以,一组材料特性参数同时用来做裂纹的萌生与扩展预测,而所有的材料特性参数都是由平滑试样试验产生。这种疲劳方法适用于I型紧凑试样在不同应力比和两步高低加载顺序下等幅加载的裂纹扩展。结果显示,这种疲劳方法能够合理的模拟在试验上观察到的裂纹扩展行为,包括刻痕影响、应力比的影响和加载顺序的影响。另外,这种还方法能够模拟从刻痕到早期的裂纹扩展和疲劳全寿命,而且预测的结果和试验观察的结果吻合得很好。 关键词:累计损伤;疲劳裂纹扩展;疲劳标准 1 .简介 工程承压设备经常承受到循环加载,一般说来,疲劳过程有三个阶段组成:裂纹萌生和早期裂纹扩展、稳定裂纹扩展和最后的疲劳断裂。裂纹扩展速率dN da/通常被表示为重对数图尺在应力强度因素围上的一个功能。在常幅加载下,不同应力比时稳定的裂纹扩展结果通常服从Paris公式和其修正公式。常幅疲劳加载下不同材料的行为不同。有些材料表现为应力比的影响:在相同应力比时,裂纹扩展速率曲线一致,但是,应力比增大时,裂纹扩展速率也增大。而其他金属材料没有表现出任何应力比的影响,而且在恒幅加载其裂纹扩展速率曲线在重对数图纸上重合。 在变幅加载条件下疲劳裂纹扩展行为作为另一个课题已经研究了若干年了。过载和变幅加载的应用对疲劳裂纹扩展研究产生了重大的影响。对于大多数金属材料而言,上述加载方法的应用导致疲劳裂纹扩展速率减慢。基于线弹性断裂力学的理论,这种过渡行为经常使用应力强度因子和通过引入在稳定裂纹扩展状态下的

综述-铝合金疲劳及断口分析

文献综述 (2011级) 设计题目铝合金疲劳及断口分析 学生姓名胡伟 学号201111514 专业班级金属材料工程2011级03班指导教师黄俊老师 院系名称材料科学与工程学院 2015年4月12日

铝合金疲劳及断口分析 1 绪论 1.1 引言 7系铝合金包括Al-Zn-Mg 系和Al-Zn-Mg-Cu 系合金,此类合金具有密度低、比强度高、良好的加工性能及优良的焊接性能等一系列优点。随着应用在铝合金上的热处理工艺及微合金化技术的不断改进,其力学性能被大幅度强化,综合性能也得到了全面提升。在航空航天、建筑、车辆、、桥梁、工兵装备和大型压力容器等方面都得到了广泛的应用。 现代工业的飞速发展,对7 系铝合金的强度、韧性以及抗应力腐蚀性能等提出了更高的要求。但是,存在另外一个现象,在各行各业的领域中,铝合金设备偶尔会出现难以察觉的断裂,在断裂之前很难甚至无法察觉到一点塑性变形。这种断裂形式,对人身以及财产安全造成了不可挽回的损失。经过大量实验表明,这些断裂是由于材料的疲劳引起,材料在交变载荷的长期作用下,表面或者内部,尤其是内部会产生微观裂纹。本文主要研究铝合金疲劳引起的裂纹以及疲劳断口分析,此类研究对于日后的生产安全,有重大意义。 1.2 7系铝合金的发展历史 在20世纪20年代,德国的科学家研制出Al-Zn-Mg系合金,由于该合金抗应力腐蚀性能太差,并未得到产业内应用。在20世纪30年代初一直到二战结束期间,各个国家在研究中发现,Cu元素可以提高铝合金的抗应力腐蚀性能。在此,开发了大量Al-Zn-Mg 系合金,因此忽视了对Al-Zn-Mg 系合金的研究。德、美、苏、法等国在Al-Zn-Mg-Cu 系合金基础上成功地开发了7075 、B93 和D。T。 D683 等合金。目前正广泛应用在航空航天事业上,但是强度、韧性、抗应力腐蚀性能三者之间未能实现最佳组合状态。20世纪50年代,德国

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