超高周疲劳

摘要： 超声波疲劳试验是获得焊接接头超高周疲劳强度的实用方法.目前还没有有效方法能够预测和评估任意焊接接头形式的超声超高周疲劳寿命.文中提出了一种超声简谐共振条件下,评估焊接接头疲劳寿命的瞬态结构应力法,以及超声超高周疲劳主S-N曲线拟合方法.基于已公开的300个焊接接头试验数据,拟合了铝合金焊接接头20 kHz超高周主S-N曲线.通过共振模型瞬态仿真分析,后雨流计数获得响应等效结构应力谱,与超高周疲劳主S-N曲线预测焊接结构疲劳寿命.结果表明,结构应力集中系数不会因焊接接头受到振动或外载大小变化而改变;拟合的超高周疲劳主S-N曲线是一条新的m=16.5的窄带,将主S-N曲线法理论的适用范围拓展到了超高周区域,可用于任意接头形式的焊接结构件超声振动超高周疲劳寿命预测.

摘要： 纤维增强树脂基复合材料(Fiber reinforced plastic,FRP)具有强度高、密度低、抗疲劳、可设计性强等优点,自被开发以后便迅速在航空航天等现代工程领域得到广泛应用。随着对FRP失效机理研究的深入及工程设计水平的提高,工程中FRP材料的设计许用值逐渐提高,FRP材料的疲劳问题变得不容忽视。尤其是高铁、飞机结构中的FRP材料,常常由于气动原因承受着高频振动载荷,从而引发FRP材料的超高周疲劳(Very high cycle fatigue,VHCF)失效问题。对FRP材料的超高周疲劳问题的研究主要分为四个方面:(1)FRP超高周疲劳试验方法;(2)FRP超高周疲劳损伤机理;(3)FRP超高周疲劳性能曲线特征;(4)FRP超高周疲劳寿命预测方法。其中疲劳试验方法为研究提供基本试验数据,是所有研究中最基础的部分。FRP超高周疲劳试验技术主要沿用金属材料的超高周疲劳试验方法,但由于FRP材料阻尼大、导热性差且对温度敏感,难以直接提高试验的加载频率。目前,主要采用减小试验件厚度、间歇加载以及强制冷却等手段来控制试验件温度,从而提高加载频率,缩短FRP超高周疲劳试验时间。超高周疲劳与常规疲劳的本质差别在于疲劳损伤机理的差异。超高周疲劳载荷下,FRP材料的基体裂纹损伤可能转变为局部点蚀,并且分层损伤可能先于基体裂纹萌生,这与典型的“三阶段”损伤演化过程有所不同。超高周疲劳载荷下,FRP材料的S-N曲线也表现出三种不同形式,分别对应存在疲劳极限、疲劳强度持续下降以及疲劳强度阶梯式下降三种情况。FRP超高周疲劳寿命预测方法主要沿用FRP常规疲劳寿命预测方法,其中基体裂纹密度方法可以降低对超高周试验数据的依赖程度。目前对FRP超高周疲劳损伤演化及性能曲线等问题的研究停留在对试验结果的观察阶段,缺乏系统的总结与研究。本文回顾了FRP材料超高周疲劳问题的研究进展,对FRP超高周疲劳研究的四个方面的内容进行了详细介绍。通过对现有研究成果进行对比分析,提出了FRP超高周疲劳需要深入研究的问题。

摘要： 针对现有模型对TC4竞争失效预测的不准确性,建立了基于最大应力强度因子的竞争失效模型。在室温以及两种应力比下,针对TC4钛合金进行超高周疲劳试验,通过试验与最弱键竞争失效理论相结合的方法进行评估,研究其超高周疲劳性能。通过对试样断口形貌的观察,可将其失效模式分为如下两类:表面失效以及内部失效。对试样表面缺陷以及内部解理刻面尺寸进行测量,并评估其最大应力强度因子值。进一步通过正态分布得到最大应力强度因子的累计分布函数,基于两参数泊松分布建立了与最大应力强度因子有关的竞争失效模型。通过模型计算结果,可以得出在任一最大应力强度因子下试样发生各种失效模式的概率,且经分析对比,本文中TC4两种疲劳失效模式的失效概率评估结果与试验数据吻合较好,为分析TC4钛合金超高周疲劳状态下的疲劳失效模式提出了新的评估方法。

摘要： 采用超声振动疲劳试验机、SEM等手段,分别在室温、22%NaCl室温和95°C水蒸气的环境下,对895 MPa强度等级的05Cr17Ni4Cu4Nb钢进行超高周疲劳性能研究。研究结果表明,在109周次寿命循环下,该材料在三种环境下的疲劳极限分别为490 MPa、460 MPa和360 MPa。对断口进行SEM分析,发现95°C水蒸汽环境下对材料疲劳失效断口特征影响较小。而在22%NaCl环境下会在材料表面凹凸处产生局部腐蚀,造成裂纹易于从此处萌生,降低疲劳寿命。

摘要： 针对航空发动机压气机叶片在实际工况下的超高周疲劳断裂问题,研究了三种锻造温度下TC4钛合金三点弯曲–轴向拉伸复合加载的疲劳破坏行为。试验结果表明,S-N曲线呈直线下降型和双平台型,采用985°C近锻造时疲劳性能最好。随着应力幅值降低,裂纹由表面萌生向次表面萌生转变,断口形貌呈现准解理断裂特征。表面裂纹萌生于α晶界或α-β相界,由位错滑移堆积导致;而次表面裂纹萌生于刻面,由初生α相解理导致。疲劳寿命由裂纹萌生阶段主导,且所占比例随总寿命的增加而变大。双态组织中初生α含量和尺寸均小于等轴组织,且β转变组织含量更高,从而具备更好的疲劳性能。轴向拉伸改变了试件的轴向应力分布,有利于提高裂纹萌生于次表面的概率,使裂纹起源点向内部迁移。

摘要： 为了研究FV520B-I在腐蚀环境下的疲劳失效行为与机理,本文在不同介质条件下对FV520B-I做了的疲劳失效分析的工作。利用超声疲劳试验系统对FV520B-I进行空气、水及3.5%NaCl溶液环境下的疲劳试验,使用扫描电镜显微镜对断口表面进行观察,分析不同试验环境、不同寿命范围的断口形貌特征,确定引起失效的损伤形式。根据断口能谱分析结果研究腐蚀介质对FV520B-I疲劳失效行为,分析不同的试验环境对疲劳寿命的影响。结果发现:在小应力幅值条件下,腐蚀介质在疲劳失效过程中起主导作用。应用经典幂函数公式建立超高频率载荷作用下不同环境的FV520B-I的应力-寿命曲线模型。研究内容对FV520B-I零部件维护及失效研究具有积极意义。

摘要： 关于合金材料超高周疲劳,笔者提出了裂纹萌生特征区及特征参数的概念,并提出了“大数往复挤压”模型揭示裂纹萌生特征区形成机理.对于高强钢,该特征区为断裂面的细颗粒区;对于钛合金,该特征区为断裂面的粗糙区.近年,关于合金材料超高周疲劳裂纹萌生过程与机理受到疲劳领域广泛关注,并有若干研究新进展.对此,有几个问题需要进一步论述,包括:(1)微结构细化并演化为纳米晶层的裂纹萌生特征区是发生在裂纹形成之前或之后?(2)特征区的形成与加载应力比的关系?(3)特征区纳米晶层的厚度、连续性和微结构细化程度?(4)特征区的形成是否需要真空环境?此外,不同高强合金和不同加载方式的特征区形态也有新的进展.本文将基于近年文献中的结果,对这些问题进行综合论述.本文还简要论述了裂纹萌生特征区概念和大数往复挤压模型的启示,包括:合金材料超高周疲劳特性的评估与预测、提高增材合金材料超高周疲劳性能的途径、制备纳米晶薄层材料的可能性.在郑哲敏先生仙逝一周年之际,以此文告慰我的导师郑先生.

摘要： 针对航空发动机压气机叶片用TC17合金的超高周疲劳性能数据需求,自主设计超高频板材试样并在电动振动台上开展弯曲振动疲劳测试,获取了109循环数范围内的超高周疲劳S-N曲线,并通过升降法得到了该合金109循环数对应的疲劳极限强度,在实际测试过程中有效激振频率达到1756 Hz左右.此外,与相同材料的常规疲劳试验结果进行了对比分析.结果表明:超高频弯曲振动疲劳试验结果与常规疲劳试验结果的变化趋势保持一致,尤其是在超高周寿命区间的测试结果的接近程度较高;超高频弯曲振动试验方法在提高测试效率的同时保证了结果的可靠性.

摘要： 镍基单晶/柱晶高温合金具有高温强度高、抗氧化性强、抗疲劳性能优异等优点,是目前先进航空发动机涡轮叶片的主要材料.超高周疲劳(疲劳寿命＞108)是涡轮叶片在服役中后期面临的主要问题.对镍基单晶/柱晶高温合金的超高周疲劳进行综述,分析结果表明,单晶/柱晶高温合金在高温下存在反常屈服现象;对比不同频率下的疲劳研究,未发现明显的频率效应;分析断裂机理,发现裂纹主要从内部孔洞等铸造缺陷处萌生.总结了疲劳寿命预测模型,展望了镍基单晶/柱晶高温合金超高周疲劳的发展方向.

摘要： 采用USF-300超声疲劳试验机对焊态和热处理态的7050-T7451铝合金搅拌摩擦焊(FSW)接头进行超高周疲劳试验,通过扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)、透射(TEM)等手段对接头微观组织和疲劳断口进行观察,研究焊后热处理(PWHT)对7050-T7451铝合金搅拌摩擦焊接头超高周疲劳行为的影响.结果表明:当循环次数为1×109时,热处理态的疲劳强度比焊态提升了25％,并且随着应力水平的降低提升的幅度越大.焊态接头疲劳试件的失效位置大多位于热影响区,而热处理态试件大部分断裂于搅拌区,试件的断裂位置与疲劳裂纹萌生机制有关.对于焊态接头试件,疲劳裂纹起源于表面粗大第二相处;而对于热处理态接头,搅拌区内部异常长大的晶粒是主要的疲劳裂纹源.热处理后热影响区内部粗化沉淀相含量减少、晶界无析出带的宽度减小,使得热影响区的薄弱属性得到改善,而搅拌区内细小等轴晶的异常长大降低了搅拌区的疲劳强度,这也是焊态和热处理态接头超高周疲劳行为出现差异的主要原因.

摘要： 贝/马复相钢因其优异的力学性能,在轨道交通、机械工程等领域展现出了广阔的应用前景.前期研究表明,贝/马复相钢相对于传统的马氏体高强钢对夹杂物的敏感性较低,显微组织成为影响其超高周疲劳性能的重要因素.本文采用新型的BQ&P工艺在贝/马复相钢中获得了贝氏体、马氏体和膜状残余奥氏体的复相组织,并研究了各相组织对超高周疲劳行为的影响规律,特别是残余奥氏体的作用.研究表明,经过BQ&P处理的贝/马复相钢超高周疲劳强度(σw9)为875MPa,其与抗拉强度的比值(即疲强比)约为0.52,高于传统的回火马氏体钢,显示了良好的超高周疲劳性能.分析表明,经BQ&P处理之后,残余奥氏体多呈亚微米级或纳米级膜状分布,具有较高的稳定性,在循环载荷作用下,可以发挥TRIP效应释放应力集中、推迟局部塑性变形出现,进而有利于超高周疲劳性能的改善.

摘要： 航空发动机叶片在服役期内承受的载荷循环要高于传统疲劳极限,而且叶片通常都经过表面强化处理,常用的超高周疲劳试验方法不能正确反映叶片的失效机理.为研究叶片的超高周疲劳破坏行为及表面激光冲击强化对其疲劳性能的影响,本文设计了能模拟叶片振动状态,适合于超高周弯曲振动疲劳试验的类结构试验件,构建了叶片表面激光冲击强化后的有限元模型,并开展了超高周疲劳试验研究.发现了裂纹从类结构件的次表面开始萌生的现象,结果表明TC17钛合金的S-N曲线呈连续下降状态,在107～1010周循环之间仍然会发生疲劳断裂.经腐蚀处理后材料的超高周疲劳性能略有降低,而经表面冲击强化处理后超高周疲劳性能显著提高.

摘要： 超高周疲劳是指材料经受107循环周次以上而发生断裂损伤的疲劳行为,彻底打破材料“无限寿命”的传统观点,逐渐成为疲劳研究领域一个新的热点问题.本文回顾近几十年国内外的研究成果,总结了超声疲劳试验方法的进展和应用,分析了金属材料超高周疲劳S-N曲线的典型特征以及内部断裂的裂纹萌生机制和扩展特征,探讨了影响超高周疲劳行为的主要因素——加载频率、材料组织和氢含量.在此基础上,提出了今后超高周疲劳研究的一些方向.

摘要： 介绍了目前先进的用于研究超高周疲劳的几种试验设备,包括红外摄像仪、扫描电镜、透射电镜、聚焦离子束系统和金相显微镜.对超高周疲劳试验过程,进行了简要概述,描述了各个设备在试验中的具体应用及综合应用,对目前超高周疲劳所关心的问题具有重要作用.强调了超高周疲劳出现的双S-N曲线现象.

摘要： @@基于Tanaka-Mura的微观位错模型并结合结构可靠性及灵敏度的统计理论，采用MATLAB自编程序对金属材料S-N曲线的分散特性进行了Monte-Carlo模拟分析，并对比了SUJ2钢的旋转弯曲疲劳实验数据，最后根据结构可靠性灵敏度理论分析了超高周疲劳失效概率的各影响因素的敏感性。

摘要： 本文采用超声疲劳振动技术研究了波纹钢腹板主要材料Q345qC钢母材和圆形对接焊接接头试件的高周与超高周疲劳性能。试验结果表明，在105～109循环周次内焊接接头的疲劳性能远低于母材，且无论是母材还是焊接接头其S-N 曲线均未出现水平渐近线，而是呈连续下降趋势，并不存在传统意义上的疲劳极限。当母材经历的疲劳循环周次超过107周次，焊接接头试件承受的疲劳循环周次超过5×106周次以后，试件仍然发生疲劳断裂。超声疲劳断口的扫描电子显微分析结果表明，焊接接头试件断口位置主要位于熔合区的焊趾处或焊接接头表面几何非连续处。且在高应力区，疲劳失效多发生于接头表面几何非连续处，在低应力区，疲劳失效多发生于焊趾处。

摘要： 合金材料超高周疲劳的裂纹萌生和初始扩展呈现出与低周和高周疲劳不同的特有过程，且具有不同的S-N曲线特征。强度状态显著影响合金材料的超高周疲劳特性。本文综述了强度状态对合金材料超高周疲劳行为影响的研究进展。

摘要： 利用超声疲劳实验方法研究了十八种具有不同夹杂物尺寸，抗拉强度从1680MPa到2180MPa的高强钢的超高周疲劳性能。研究了高强钢的超高周疲劳强度和夹杂物的关系。基于氢在超高周疲劳过程中的作用，提出了一个预测高强钢的超高周疲劳强度模型。这个预测模型的预测值与实验符合较好。

摘要： 本文研究了两种低合金钢超高周疲劳行为的基本特征和裂纹萌生机理.采用旋转弯曲实验机对腰鼓形试样进行频率为52.5Hz的疲劳实验.试样疲劳断裂周次从104到108,对应的S-N曲线为阶梯状趋势.断口特征观察表明超高周疲劳的裂纹往往萌生于试样的亚表面且裂纹源区域呈现"鱼眼"和"暗区"斑图.rn 本文提出了一个新的参量来说明裂纹起源位置由试样表面向内部转移的机理,即裂纹源位置受控于夹杂物尺度,晶粒尺度和施加应力.

摘要： @@材料的疲劳以及与此相关的安全设计一直是工程设计中的一个重要问题。对于铁系合金，传统的疲劳理论认为载荷周次达到107以上，材料就不会发生断裂：但是1982年Nattio在高强钢中首次发现了108以上周次的疲劳断裂。

摘要： 本发明公开了一种超高强钢板状疲劳试样、夹持部位加工方法及其高周疲劳试验方法，该板状疲劳试样的夹持部两侧面均开设有若干平行的V型槽；V型槽的方向与加载方向的夹角为θ，相邻V型槽的中心间距为a；V型槽的深度为b；a=夹持超高强钢板状疲劳试样的楔块的咬齿间距；θ=楔块的咬齿与加载方向的夹角；b＜楔块咬齿深度。本发明可有效提高试样夹持力，防止疲劳试样夹持部位断裂失效，提高试验结果稳定性和准确性。该方法是主要针对相对韧性较差，裂纹敏感性强的超高强钢在高周疲劳试验中，由于加载载荷过大导致夹持部位由于过大的夹紧力在试样表面产生塑性变形微裂纹，引发在疲劳试验中夹持部位经常出现断裂失效，试验效率过低的问题。

摘要： 本发明公开了一种超高强钢板状疲劳试样、夹持部位加工方法及其高周疲劳试验方法，该板状疲劳试样的夹持部两侧面均开设有若干平行的V型槽；V型槽的方向与加载方向的夹角为θ，相邻V型槽的中心间距为a；V型槽的深度为b；a=夹持超高强钢板状疲劳试样的楔块的咬齿间距；θ=楔块的咬齿与加载方向的夹角；b＜楔块咬齿深度。本发明可有效提高试样夹持力，防止疲劳试样夹持部位断裂失效，提高试验结果稳定性和准确性。该方法是主要针对相对韧性较差，裂纹敏感性强的超高强钢在高周疲劳试验中，由于加载载荷过大导致夹持部位由于过大的夹紧力在试样表面产生塑性变形微裂纹，引发在疲劳试验中夹持部位经常出现断裂失效，试验效率过低的问题。

摘要： 本发明公开了一种可变应力比的变温超高周多轴疲劳试验装置，包括共振系统、应力调节系统、温度调节系统。共振系统由纵振换能器、拉扭变幅杆、拉扭试验件、连接杆依次连接组成，可以实现拉扭复合振动加载；应力调节系统由调节圆环、调节螺钉、定位板、蜗轮蜗杆及伺服电机组成，可以实现加载应力比的精确调节；温度调节系统由磁感应加热线圈、空气冷却装置、红外测温仪组成，可以实现拉扭试验件温度的精确调节。本发明的优点在于：可用本装置进行不同应力比、不同温度下的超高周拉扭复合疲劳试验。

摘要： 本发明公开了一种汽轮机转子超高周疲劳疲劳强度与疲劳寿命评估方法，包括：根据和获得转子构件上高温危险点的平均应力和高温危险点的应力幅；获得转子构件的超高周疲劳S‑N曲线；根据转子构件的超高周疲劳S‑N曲线获得转子构件服役期对应的疲劳强度；根据获得转子构件带负荷稳定运行的等效单向对称应力幅；确定转子构件的许用安全系数；根据转子构件的许用安全系数进行转子构件的超高周疲劳强度校核；计算转子构件的安全疲劳寿命和超高周疲劳寿命损耗。本发明提供的汽轮机转子高温超高周疲劳疲劳强度和疲劳寿命评估方法，可以实现高温超高周疲劳强度、疲劳寿命和损耗的定量计算、评定。

摘要： 本发明公开了一种高强度钢低温超高周疲劳寿命预测方法，所述发明采用低温超声疲劳试验，基于断裂力学理论，引入反映低温环境的参数，建立材料的低温超高周疲劳寿命方程，定量评价不同低温环境下的高强度钢超高周疲劳寿命。所述方法避免了昂贵、耗时、设备易损伤的低温温超高周疲劳试验，具有简单、快速、经济优势。

摘要： 一种渗碳钢超高周疲劳性能的评价方法，属于材料疲劳性能评价方法领域。该方法具体步骤包括：根据材料应用目标的渗碳层特征要求，通过渗碳工艺调整，分别获得渗碳层、过渡层和基体层组织状态的模拟试样，利用超声波疲劳测试设备，分别对不同组织状态的试样进行升降法疲劳性能评价，获得疲劳极限S‑N曲线，通过对比分析，不同组试样的最小值即可认为是该渗碳钢的安全疲劳极限。该方法采用超声波测试方法进行疲劳测试，可进行10

摘要： 本发明公开了一种单晶超高周疲劳内部裂纹早期扩展速率定量表征的方法，基于特定载荷谱的超声疲劳试验，实现了“断口刻痕”，建立了一套基于断口反推的定量表征内部疲劳裂纹扩展速率的模型；该模型无需关注试验过程，仅根据疲劳断口及试验条件即可快速计算疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子幅值的关系，进而分析疲劳裂纹扩展过程中扩展速率的变化。

摘要： 本发明公开了一种汽轮机转子超高周疲劳疲劳强度与疲劳寿命评估方法，包括：根据和获得转子构件上高温危险点的平均应力和高温危险点的应力幅；获得转子构件的超高周疲劳S‑N曲线；根据转子构件的超高周疲劳S‑N曲线获得转子构件服役期对应的疲劳强度；根据获得转子构件带负荷稳定运行的等效单向对称应力幅；确定转子构件的许用安全系数；根据转子构件的许用安全系数进行转子构件的超高周疲劳强度校核；计算转子构件的安全疲劳寿命和超高周疲劳寿命损耗。本发明提供的汽轮机转子高温超高周疲劳疲劳强度和疲劳寿命评估方法，可以实现高温超高周疲劳强度、疲劳寿命和损耗的定量计算、评定。

摘要： 本发明提供一种预测缺陷对高周和超高周疲劳强度影响的方法，首先通过疲劳实验确定某寿命下光滑试样和含缺陷试样的高周和超高周疲劳强度，然后通过数学模型确定缺陷对该寿命下疲劳强度的影响关系。利用该关系，缺陷对疲劳强度的影响可以通过缺陷的尺寸来表征，进而可以预测缺陷对疲劳强度的影响。本发明公开的方法形式简单，便于应用，解决了缺陷对高周和超高周疲劳强度影响的数学模型描述和难以准确评估问题，为含缺陷材料或工程零部件的疲劳性能研究和评价提供了模型和技术支撑。

摘要： 一种焊接结构超高周疲劳主S‑N曲线拟合及寿命预测方法，包括以下步骤：步骤一：构建超声疲劳试验焊接结构件有限元模型；步骤二：利用瞬态分析计算超声波焊接结构件节点力响应，进一步获得等效结构应力响应及其响应谱；步骤三：超高周疲劳主S‑N曲线拟合方法拟合焊接接头超声疲劳超高周主S‑N曲线；步骤四：将评估结果以云图方式显示在模型上，利用超声疲劳主S‑N曲线对焊接接头超声振动疲劳寿命做出预测评估。本发明对于焊接结构件超声疲劳试验具有普适性，能够广泛应用于焊接结构力学分析及疲劳寿命预测中，提高超声焊接接头超高周疲劳寿命预测精度，进而减少超声疲劳试验次数从而降低试验成本。