低温下HTS-A钢疲劳裂纹扩展速率预报方法研究

针对低温下船用HTS-A钢的疲劳裂纹扩展行为,本文采用25 mm厚HTS-A钢CT试样为研究对象,开展常温及不同低温环境下疲劳裂纹扩展试验。在试验研究的基础上,提出包含温度项的改进McEvily公式的低温疲劳裂纹扩展预报方法。结果表明：随着温度的降低,HTS-A钢的疲劳裂纹扩展速率逐渐降低。在-60℃时,HTS-A钢的低温疲劳裂纹扩展速率没有出现低温脆断,试验结果可为船用HTS-A钢低温疲劳设计提供数据参考。同时,分别采用本文HTS-A钢低温试验数据和文献中的钛合金低温试验数据验证低温疲劳裂纹扩展速率预报方法的合理性及正确性,该方法可用于预报不同低温环境下金属疲劳裂纹扩展速率。     

试样厚度对船用钢疲劳裂纹扩展速率影响的试验

为研究试样厚度对船用钢疲劳裂纹扩展速率的影响,设计并实施两组不同厚度的紧凑拉伸试样进行疲劳裂纹扩展速率试验,同时建立了三维疲劳裂纹扩展有限元模型,分别基于线弹性理论和弹塑性理论对应力强度因子进行了计算,并分析了试样厚度对裂纹扩展速率的影响。试验与计算结果的综合分析表明：相同应力水平下,薄试样裂纹尖端的塑性区明显大于厚试样,且裂纹尖端应力强度因子值大于理论经验计算结果可达23.25%,因此,在材料裂纹扩展速率试验前,特别是试样厚度尺寸较小时,应充分考虑试样的厚度效应,参考基于弹塑性理论计算得到的应力强度因子结果,同时有必要针对当前试样及材料进行专门的裂纹扩展速率试验,以得到准确裂纹扩展参数结果。     

试样厚度对船用钢疲劳裂纹扩展速率影响的试验

为研究试样厚度对船用钢疲劳裂纹扩展速率的影响,设计并实施两组不同厚度的紧凑拉伸试样进行疲劳裂纹扩展速率试验,同时建立了三维疲劳裂纹扩展有限元模型,分别基于线弹性理论和弹塑性理论对应力强度因子进行了计算,并分析了试样厚度对裂纹扩展速率的影响。试验与计算结果的综合分析表明:相同应力水平下,薄试样裂纹尖端的塑性区明显大于厚试样,且裂纹尖端应力强度因子值大于理论经验计算结果可达23.25%,因此,在材料裂纹扩展速率试验前,特别是试样厚度尺寸较小时,应充分考虑试样的厚度效应,参考基于弹塑性理论计算得到的应力强度因子结果,同时有必要针对当前试样及材料进行专门的裂纹扩展速率试验,以得到准确裂纹扩展参数结果。     

钛合金室温与低温疲劳裂纹扩展速率试验研究

为了明确极地破冰船关键部位钛合金的疲劳裂纹扩展行为,本文以89 mm厚钛合金为试验对象,完成室温以及低温下的疲劳裂纹扩展速率试验。从钛合金的a-N曲线表明随着温度的降低,钛合金的寿命增加;对a-N曲线进行数据处理得到疲劳裂纹扩展速率的双对数曲线。结果表明:在一定应力强度因子内,随着温度的降低,疲劳裂纹扩展速率降低;在-60℃时,断裂韧性降低,在一定应力强度因子以外,裂纹扩展速率提高;在极地正常温度内,可以确定钛合金满足极地低温疲劳裂纹扩展速率要求,但是在-60℃以下的一些极端极地气温下,防止脆性破坏成为疲劳设计的重点;试验数据能为极地破冰船进一步抵抗低温疲劳和冷脆断裂设计提供参考;采用采用所提出的预报公式对钛合金疲劳裂纹扩展速率的中速率区和高速率区进行预报,预报结果显示该预报公式能较好的预报该钛合金的低温疲劳裂纹扩展速率的2个区域。     

压力容器接管区应变分布模拟试样(ECT)的低周疲劳裂纹扩展

设计了一种含局部减薄半椭圆缺口的紧凑拉伸试样(ECT),以模拟压力容器接管区结构,并对16MnR钢的ECT试样进行了不同应力比的恒幅低周疲劳裂纹扩展试验.结果表明:ECT试样具有类似压力容器接管区的高应变分布场;低周疲劳裂纹扩展速率与由线积分定义计算的循环J积分,△J在双对数坐标中呈良好线性相关,且回归的材料参数与相同材质的高周疲劳试验获得的Paris常数基本一致.     

船舶焊接钛合金拉伸疲劳断裂机理的研究

通过对TC4钛合金焊接试样拉伸疲劳断裂试验结果及其断口和卸载表面观察分析,发现试样断口上有明显的河流花纹走向和起裂源,并伴有韧窝和韧性条带特征。起裂源常位于断口表面角落附近。其断裂机理是疲劳拉伸载荷作用下,在应力值比较高的时候一些沿层裂纹开始出现并扩展,当疲劳裂纹的长度达到与疲劳外加力所匹配的临界裂纹长度时,突然发生准解理断裂。试样断口呈现出准解理与韧窝断裂的混合特征。     

新型Ni55Fe35Si10钎料对1Cr18Ni9Ti不锈钢的真空钎焊

采用新型三元不含B元素的Ni55Fe35Si10钎料对1Cr18 Ni9Ti不锈钢进行润湿试验及搭接钎焊试验研究.试验在真空钎焊炉中进行,保温温度分别为1 180℃和1 220℃,保温时间为10 min.对所得润湿试样进行润湿角测量,并用扫描电镜和能谱对钎焊试样微观组织和元素分布行为进行观察和分析.最后,采用显微硬度计...     

残余元素锡对齿轮钢疲劳性能的影响

利用疲劳试验机,研究了残余元素Sn对20Cr Mn Ti钢疲劳裂纹扩展速率以及疲劳寿命的影响,同时利用扫描电镜分析断口形貌,结果表明:当ΔK33.35 MPa·m1/2、w(Sn)为0.05%时裂纹扩展速率稍高,当ΔK33.35 MPa·m1/2、w(Sn)为0时裂纹扩展速率稍高,然而两者扩展速率总体差别不大,可认为一致;w(Sn)为0或0.05%时,疲劳裂纹扩展断口形貌均为准解理断裂+少量韧窝,无明显差别.不含Sn及含0.05%Sn时,疲劳寿命分别为4.0×104周次、4.1×104周次,断口分析表明,疲劳源区均在试样表面,疲劳区均未出现疲劳条纹,瞬断区均呈韧窝状断口形貌,无明显区别.即当w(Sn)≤0.05%时,对20Cr Mn Ti钢疲劳性能没有明显影响.     

破损舰体结构疲劳裂纹扩展及剩余寿命研究

采用预制缺口的907A钢平板结构试样进行拉伸疲劳载荷试验,得到了拉伸疲劳载荷作用下平板结构破口裂纹扩展规律.采用奇异单元法计算了相应试件的裂纹尖端应力强度因子,利用Paris准则得出裂纹扩展速率与应力强度因子的关系式.提出了破损舰体结构的疲劳裂纹扩展模型,用于估算破损舰船结构在波浪中航行时的裂纹扩展分析和剩余寿命预报.通过某型舰算例验证了文中试验计算方法的合理性.     

AH36钢含裂纹板与加筋板低周疲劳裂纹扩展试验

对AH36钢含裂纹板与加筋板试样,在恒幅和变幅拉伸循环载荷下进行裂纹扩展试验,探讨有无加强筋以及在基本循环中插入单个拉伸过载情况下的低周疲劳寿命及裂纹扩展速率的规律,结果表明,AH36钢对应力比效应较敏感;恒幅循环载荷下,加强筋能有效增大疲劳寿命;在一定范围内过载比越大,过载迟滞效应也越明显,过载的迟滞效应可有效减小裂纹扩展速率。     

舰用907A钢结构高频疲劳裂纹扩展试验研究

采用预制缺口的舰体结构试样,对舰用907A钢在拉伸疲劳载荷作用下的裂纹扩展规律进行了高频疲劳试验研究,得出在拉伸疲劳载荷作用下舰体结构的裂纹扩展规律,模拟了舰船在航行时波浪交变载荷对舰船结构的破坏作用,试验结果对预报破损舰船在波浪中航行时的裂纹扩展情况具有参考作用。     

HTS-A钢对接接头的双轴疲劳试验研究

开展了HTS-A钢对接焊接试件的双轴疲劳试验.通过一组试件在纵向受弯和垂向受压循环载荷作用下的试验研究,得到了不同双轴载荷比情况下的试件断口形式及疲劳寿命.根据试验过程中记录的裂纹扩展数据,回归了不同载荷比情况下的Paris公式,从而推算裂纹扩展寿命.进而通过总寿命减去裂纹扩展寿命得到裂纹的萌生寿命.结果表明,垂向循环压力载荷缩短了试件的疲劳寿命,且对萌生寿命的影响大于对扩展寿命的影响.     

拉伸载荷下加筋板裂纹扩展研究

采用预制缺口的加筋板结构试样,对921A钢加筋板结构进行拉伸疲劳载荷作用下的低周疲劳试验,采用奇异单元法计算相应试件的裂纹尖端应力强度因子,利用Paris准则得出裂纹扩展速率与应力强度因子的关系式,得到拉伸疲劳载荷作用下舰体加筋板结构破口裂纹扩展模型,用于分析和预报破损舰船结构在波浪中航行时的裂纹扩展情况和剩余疲劳寿命预报,算例验证了本试验计算方法的合理性。     

疲劳裂纹扩展模型中表征裂纹闭合水平参数的确定

借助7075-T 6铝合金、6013铝合金以及0.45w t%碳钢的疲劳试验数据,结合上述材料的力学性能参数,通过非线性最小平方拟合方法,研究了表征裂纹闭合水平参数k对疲劳裂纹扩展率的影响。研究结果表明,对于宏观裂纹范围内的疲劳裂纹扩展,参数k只要大于某个值就对疲劳裂纹扩展率无影响;而对于小裂纹阶段的疲劳裂纹扩展,参数k对疲劳裂纹扩展率的影响较明显,因此参数k的大小主要取决于小裂纹扩展数据。依据0.45w t%碳钢疲劳试验数据,相应参数k的建议值为6 000m-1。     

铜/铝层状复合板的高温拉伸力学性能与断裂行为

在200℃保温条件下进行铜/铝层状复合板的高温拉伸试验,采用SEM、TEM、EDS表征分析了复合板的组织演变与断裂行为,研究了界面组织对复合板高温拉伸力学性能的影响.结果表明:冷轧复合板的基体层之间紧密结合,经过退火处理后,铜/铝界面发生显著的元素互扩散,在350℃时生成以金属间化合物为主要成分的界面层;高温拉伸过程复合板的断裂源位于铜/铝界面层,当界面结合强度较低时,裂纹沿铜/铝层间快速扩展,基体层间的力学性能差异使界面承受附加拉应力加剧了界面断裂失效;300℃退火处理的铜/铝复合板在高温拉伸过程具有较好的界面稳定性,界面强化效应明显,复合板的屈服强度为106.6 MPa,而且拉伸断口各基体层保持良好结合状态.     

船用柴油机活塞销早期断裂分析

对某船用柴油机活塞销断裂故障进行了分析研究。金相观察及断口的宏观和微观观察表明,活塞销的破坏属疲劳断裂,疲劳裂纹在表面渗碳层的网状碳化物萌生,进而扩展引发断裂。改进渗碳工艺,杜绝网状碳化物析出是防止活塞销疲劳破断的有效途径。     

海洋工程用中厚板高强钢Q460E焊接工艺及性能

针对焊接机器人应用于海洋工程领域厚板焊接中的可行性和焊接工艺进行研究,设置焊接方案和技术参数并进行分析.采用海洋工程领域常用的高强钢Q460E,对焊接机器人焊接过程中的重要参数"侧壁停留时间"进行试验优化研究,结果表明,焊前预热温度为150℃,焊接速度为190mm/min～210mm/min,焊后后热温度为250℃,保温2h,同时配合焊接机器人摆动速度250 mm/min、侧壁停留时间1.2 s～1.4 s时,能获得良好的焊接接头,抗拉强度达到620 MPa,屈强比达0.8.在侧壁停留时间为1.2 s～1.4 s的情况下对预热温度分别为120℃和90℃的工况进行试验,结果表明,当将预热温度降至90℃时,焊缝冲击韧性仍能满足标准的要求.对于对结构性能要求不高的场合,推荐采用该预热温度.     

钢制金属I型夹芯板界面疲劳脱粘特性分析

[目的]针对金属I型夹芯板界面的脱粘失效破坏,开展金属夹芯板界面疲劳脱粘特性分析。[方法]基于内聚力模型理论,考虑时间历程、三维结构节点多自由度的损伤演化方程与收敛判定准则,开发适用于三维复杂结构的界面疲劳脱粘模拟程序;与焊接接头脱粘实验结果进行对比,验证所开发程序的准确性,并进一步对钢制金属I型夹芯板的界面疲劳脱粘行为进行数值模拟。[结果]结果显示,所开发的三维界面疲劳脱粘数值模拟程序与焊接接头脱粘实验间最大的模拟误差仅为14.05%;I型夹芯板承受面外载荷时,夹芯板界面处的脱粘破坏主要表现为沿焊缝方向的表面裂纹扩展,当裂纹扩展至夹芯板长度的70%左右时,裂纹开始贯穿腹板形成贯穿裂纹。[结论]所开发的三维复杂结构界面疲劳脱粘程序可以实现对金属夹芯板界面疲劳脱粘寿命的有效评估,对实际工程应用具有一定的指导意义。     

随机载荷作用下焊接结构表面裂纹扩展研究

随机载荷作用下焊接结构表面裂纹的扩展问题是工程结构中常见的问题.文中设计了随机载荷作用下焊接结构的疲劳断裂试验,试样由平板以一定的角度焊接而成,配合相应的夹具采用轴向加载,在MTS疲劳试验机上进行试验,采用应变片对裂纹的萌生进行监测,用降载勾线法描绘裂纹的扩展形貌,最后利用试验数据对文献中提到的等效厚度法和等效应力强度因子法进行了验证,结果表明:这两种方法的计算结果都与试验结果比较接近,可以用于计算表面裂纹的疲劳扩展.     

不锈钢SUS630疲劳断口分析

高速船舶推进轴系为减轻重量,采用高强度合金材料,目前常使用之材料为不锈钢SUS630。对此材料进行了孔蚀试验及疲劳试验,利用电子扫描显微镜就其疲劳断口进行照相,并针对电子扫描照相所获取的图像进行分析。依据图像显示,当无孔蚀发生时,其疲劳断裂原则上遵循疲劳裂纹初始期、疲劳裂纹成长期及疲劳瞬间断裂期三个阶段;但当有孔蚀发生时,其疲劳断裂阶段即无疲劳裂纹初始期,而直接进入疲劳裂纹成长期及疲劳瞬间断裂期两个阶段。因此,当以断口观察来判断断裂原因时,应特别注意。另由电子扫描照相所获取的图像进行分析推算,得知金属材料常数n、C、与疲劳裂纹扩展常数(da/dN)并非固定的常数,随着试验应力大小而变动,针对不锈钢SUS630材质,当ΔK值介于26至46之间时,对于应力幅值不确定时,建议金属材料常数n值取为3及金属材料常数C值取为4.40×10-15。