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AerMet100超强钢的低周冲击疲劳寿命修正预测模型及损伤演化机理

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工程力学 2024年

作者：高鹏朱亚新徐玉曌汪长炜韩康宁刘新杨强华中科技大学航空航天学院清华大学航天航空学院中国飞机强度研究所强度与结构完整性全国重点实验室

AerMet 100 超强钢（A100 钢）是一种极具潜力的高强度材料，已被广泛应用于航天工业和军事装备中的重载部件，这些部件在服役中经常受到反复冲击载荷的作用，进而引发冲击疲劳失效问题。本文采用落锤冲击试验机，开展了3种含不同缺口的... 详细信息

AerMet 100 超强钢（A100 钢）是一种极具潜力的高强度材料，已被广泛应用于航天工业和军事装备中的重载部件，这些部件在服役中经常受到反复冲击载荷的作用，进而引发冲击疲劳失效问题。本文采用落锤冲击试验机，开展了3种含不同缺口的A100钢三点弯曲试样的冲击疲劳寿命测试实验，并采用修正的疲劳冲击断裂能损失唯象寿命预测模型成功对冲击疲劳寿命进行了统一拟合。利用SEM、EBSD及非接触式DIC方法，研究了冲击载荷循环作用下A100钢材料裂纹萌生和扩展机理。结果显示：随着冲击能量的增加，不同缺口类型的A100钢三点弯曲试样的冲击疲劳寿命皆近似指数型衰减，其微观尺度的解释为：随着冲击能量的增加，疲劳条纹的宽度呈近似指数型增加。在损伤机理方面，A100的冲击破坏模式为微孔聚合性破坏，裂纹在单点或多点形核，裂纹多沿着大块奥氏体晶界破坏，伴随着穿过大量马氏体破坏的穿晶破坏，在裂纹路径上留下大量细化的亚晶。冲击疲劳寿命(Nf)的前50%-60%为裂纹的形核阶段，至少60%-90% Nf为裂纹的稳定扩展阶段，最后不到10% Nf为裂纹的快速扩展阶段。

关键词： A100钢冲击疲劳寿命预测裂纹扩展晶粒细化机理

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低温环境对枪械零件冲击疲劳的影响研究

兵器装备工程学报 2024年第S1期45卷 217-222页

作者：叶文辉乔自平李君安薛钧许立宁北京科技大学新材料技术研究院北京100083 中国兵器工业第二零八研究所瞬态冲击技术重点实验室北京102202 中国兵器工业第二零八研究所北京102202

通过对某型号自动步枪进行低温环境和室温环境下的实弹射击实验,探究低温环境对枪械零件冲击疲劳的影响。低温环境下,击锤零件的疲劳寿命显著降低,与材料轴向疲劳性能测试结果不符。通过对失效零件进行宏观和微观观察,排除加工或者材料... 详细信息

通过对某型号自动步枪进行低温环境和室温环境下的实弹射击实验,探究低温环境对枪械零件冲击疲劳的影响。低温环境下,击锤零件的疲劳寿命显著降低,与材料轴向疲劳性能测试结果不符。通过对失效零件进行宏观和微观观察,排除加工或者材料缺陷的影响。结合微观断口形貌和力学性能测试数据分析,结果表明:冲击疲劳相对于正常轴向疲劳来说,温度降低,疲劳敏感性升高;冲击疲劳寿命与材料强度和塑性韧性有关,低温回火后冲击韧性较低,随回火温度降低,冲击韧性低于冲击疲劳抗力的下限,疲劳寿命降低。对于长期在低温条件下服役的枪械零件,需要提高材料的低温冲击韧性,保证符合设计寿命需求。

关键词：低温环境冲击疲劳击锤零件失效断裂冲击韧性

高应变率载荷下纯钛的非连续冲击疲劳失效模型及其微观机理

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爆炸与冲击 2024年第1期44卷 77-85页

作者：惠煜中徐浩嘉郝宏炜沈将华西北工业大学航空学院陕西西安710072 陕西省冲击动力学及工程应用重点实验室陕西西安710072

基于传统的分离式霍普金森拉杆系统,设计了应变控制的冲击疲劳寿命测试实验,研究了冲击疲劳加载下纯钛的微观演化机制及冲击疲劳对材料宏观力学行为的影响。通过对不同冲击疲劳试验阶段的试样开展准静态力学性能测试,借助扫描电子显微镜... 详细信息

基于传统的分离式霍普金森拉杆系统,设计了应变控制的冲击疲劳寿命测试实验,研究了冲击疲劳加载下纯钛的微观演化机制及冲击疲劳对材料宏观力学行为的影响。通过对不同冲击疲劳试验阶段的试样开展准静态力学性能测试,借助扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)和电子背散射衍射(electron backscatter diffraction,EBSD)技术表征试样在不同阶段的微观组织以及冲击疲劳失效后的断口形貌,研究纯钛在冲击疲劳失效过程中的循环硬化/软化规律及其微观演化机制。结果表明:通过改变子弹长度可以实现应变控制的冲击疲劳寿命测试;Manson-Coffin疲劳寿命模型可以较好地反映纯钛的冲击疲劳寿命与应变幅值之间的关系;纯钛在冲击疲劳失效过程中表现出循环硬化的现象,这主要是疲劳过程中孪生变形引起的细晶强化和塑性变形引起的应变硬化共同作用的结果,纯钛的冲击疲劳损伤主要表现为变形能力的损失。

关键词：冲击疲劳纯钛 Manson-Coffin模型微观组织

高强度马氏体不锈钢的小能量冲击疲劳行为研究

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石油管材与仪器 2024年第4期10卷 24-30,I0002页

作者：张晓川王景芹王清铎林亮李刚党宁韩礼红中国石油大庆油田有限责任公司采油工艺研究院黑龙江大庆163453 大庆油田井下作业分公司黑龙江大庆163000 中国石油集团工程材料研究院有限公司油气钻采输送装备全国重点实验室陕西西安710077

随着钻具失效的不断发生,越来越多的研究者进行服役工况下钻具失效-断裂行为的机理研究。在服役过程中钻具受到复杂载荷的作用,既有静载荷也有大能量单次冲击载荷和小能量多次冲击载荷,小能量多次冲击载荷会造成材料冲击疲劳。研究了新... 详细信息

随着钻具失效的不断发生,越来越多的研究者进行服役工况下钻具失效-断裂行为的机理研究。在服役过程中钻具受到复杂载荷的作用,既有静载荷也有大能量单次冲击载荷和小能量多次冲击载荷,小能量多次冲击载荷会造成材料冲击疲劳。研究了新型高强度马氏体不锈钢在不同冲击能量下的材料的冲击疲劳失效行为。结果表明,材料的冲击疲劳寿命的影响因素主要是加载的冲击能量,即冲击能量越高材料的冲击疲劳寿命越低,但冲击能量的变化不会改变材料的断裂形式。在疲劳裂纹萌生阶段,冲击能量的提高可使裂纹快速萌生。在疲劳裂纹扩展阶段,冲击载荷作用于裂纹尖端并使裂纹逐渐扩展。最后,建立了裂纹长度a与循环周次N的函数关系,计算了裂纹的扩展速率。

关键词：高强度马氏体不锈钢动态拉伸高应变率冲击疲劳 Paris公式

Hopkinson杆式冲击疲劳试验方法研究

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振动与冲击 2023年第2期42卷 132-138页

作者：李泊立赵思晗刘圆梦杨建辉郭伟国西北工业大学航空学院西安710072

在民用与国防领域,装备或结构部件常常受到高加载率的重复冲击,即冲击疲劳问题。冲击疲劳试验装置是研究冲击疲劳问题的基础,该研究提出一种分离式Hopkinson杆式冲击疲劳试验方法。首先通过真空系统使撞击弹复位,在加载过程中通过弹性... 详细信息

在民用与国防领域,装备或结构部件常常受到高加载率的重复冲击,即冲击疲劳问题。冲击疲劳试验装置是研究冲击疲劳问题的基础,该研究提出一种分离式Hopkinson杆式冲击疲劳试验方法。首先通过真空系统使撞击弹复位,在加载过程中通过弹性约束对入射杆进行限位,最后利用电动推杆使透射杆和试样复位,以上过程通过PLC控制器控制。这种方法操作简易,能通过在杆上的信号采集实现冲击波的连续实时显示,并能改变撞击体几何构形以产生不同形状(梯形波、三角波或半正弦波)和不同加载率(8×10^(5)~3×10^(6)MPa/s)的冲击加载波,加载频率范围在0~0.5 Hz。最后利用高强钢圆柱试样和含有工艺缺陷的增材制造316L不锈钢三点弯曲试样对试验方法进行了验证,证明该方法有效可靠。

关键词：冲击疲劳重复加载 Hopkinson杆三点弯曲试样

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CADI冲击疲劳失效机理研究

机械工程学报 2023年第22期59卷 312-321页

作者：杨鹏辉符寒光徐建林兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室兰州730050 兰州理工大学材料科学与工程学院兰州730050 北京工业大学材料科学与工程学院北京100124

含碳化物等温淬火球墨铸铁(Carbidic austempered ductile iron,CADI)因其优良力学性能已成为球磨机磨球的重要材料之一,然而由于CADI组相复杂,导致目前研究无法搞清楚石墨球、铁素体、残余奥氏体和碳化物如何影响冲击疲劳下CADI的失效... 详细信息

含碳化物等温淬火球墨铸铁(Carbidic austempered ductile iron,CADI)因其优良力学性能已成为球磨机磨球的重要材料之一,然而由于CADI组相复杂,导致目前研究无法搞清楚石墨球、铁素体、残余奥氏体和碳化物如何影响冲击疲劳下CADI的失效。使用改造后的MLD-10试验机分析奥氏体化温度、等温淬火温度及冲击载荷对CADI冲击疲劳裂纹影响。通过自制试验机制备冲击疲劳试样,研究冲击疲劳后试样表面和横截面的变化规律,并揭示CADI冲击疲劳失效机理,即石墨球变形和碳化物断裂产生了大量冲击疲劳裂纹,导致CADI沿晶断裂。细小且分布均匀的石墨球和碳化物更有利于提高CADI抗冲击疲劳性,超高温预热处理+等温淬火的工艺获得的含沉淀颗粒和超细针状铁素体的高韧性CADI不易在冲击疲劳过程中断裂,具有广阔的应用前景。

关键词： CADI 冲击疲劳组织失效机理

YG8硬质合金冲击疲劳断口形貌及冲击寿命统计分析方法

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热加工工艺 2022年第6期51卷 74-78页

作者：涂强范海平上海核工程研究设计院有限公司上海200233

通过小能多冲试验机对YG8硬质合金进行了不同冲击能量下的冲击疲劳试验,采用对数正态分布函数对其冲击寿命结果的分布特性进行了评估;利用SEM对冲击后的断口形貌进行了分析;采用小子样进行其概率密度函数的参数评估并进行假定检验。结... 详细信息

通过小能多冲试验机对YG8硬质合金进行了不同冲击能量下的冲击疲劳试验,采用对数正态分布函数对其冲击寿命结果的分布特性进行了评估;利用SEM对冲击后的断口形貌进行了分析;采用小子样进行其概率密度函数的参数评估并进行假定检验。结果表明:YG8合金在冲击载荷作用下存在沿晶断裂和穿晶解理断裂两种明显的断裂形式;试件的疲劳寿命服从对数正态分布,对数正态分布函数可有效地用于评估和预测硬质合金冲击疲劳性能。

关键词：硬质合金冲击疲劳断口形貌统计分析

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M42高速钢耐磨和冲击疲劳性能研究

M42高速钢耐磨和冲击疲劳性能研究

作者：刘钰河北科技大学

学位级别：硕士

M42作为高性能高速钢,具有高硬度、高耐磨性和较好的抗冲击疲劳性能,被广泛应用于切削刀具和冲头材料。其服役失效形式通常为磨损和疲劳的破坏断裂,然而在M42高速钢服役性能与微观组织和残余应力的关联性研究上缺乏详细报道。本文以M42... 详细信息

M42作为高性能高速钢,具有高硬度、高耐磨性和较好的抗冲击疲劳性能,被广泛应用于切削刀具和冲头材料。其服役失效形式通常为磨损和疲劳的破坏断裂,然而在M42高速钢服役性能与微观组织和残余应力的关联性研究上缺乏详细报道。本文以M42高速钢为研究对象,重点研究残余应力、微观组织演变对其磨损性能和冲击疲劳性能的影响规律,揭示性能损伤和组织损伤机制。对比分析了中国河冶(HYM42)和日本不二越(NM42)M42高速钢的微观组织和磨损性能。研究发现,HYM42和NM42的回火态组织由回火马氏体基体和大量分布在基体的碳化物组成。NM42高速钢的耐磨性要高于HYM42高速钢,HYM42钢和NM42钢的磨损机制均为黏着磨损、磨料磨损和轻微氧化磨损。尽管两种钢的磨损表面粗糙度相当,但NM42钢的磨损变形划痕分布更均匀,而纵剖面形貌观察发现HYM42钢的塑性变形层较深。硬度更低,碳化物含量较少,是HYM42钢摩擦磨损性能不如NM42的原因。采用正交实验法建立了M42高速钢的磨损机制图,并结合磨损表面形貌分析了M42高速钢的磨损损伤机制。根据磨损率差异,磨损图分为三个区域:轻微磨损、中度磨损和剧烈磨损。随接触应力和滑动速度的增加,高速钢的损伤机制经历了三重演变:犁削+极少量碳化物剥落造成的微孔洞→轻微分层剥落+较多碳化物断裂和剥落造成的微孔洞→较严重分层剥落+大量碳化物断裂和剥落造成的微孔洞,碳化物断裂和剥落是M42高速钢磨损服役损伤的主导因素。建立了以三维形貌特征参数(R、R)、碳化物开裂或剥落面积比(Acarbide)作为综合评价耐磨性(w’)的指标,结合灰色关联度法和熵值法确定了耐磨性和磨损损伤的服役评价体系:w’=0.4565 R+0.4317 R+0.1118 Acarbide,并发现w’大于0.9222时磨损损伤较严重。采用冲击疲劳实验机研究了HYM42和NM42高速钢的冲击疲劳性能。结果表明,高速钢疲劳寿命与冲击能量之间的关系可分别定量表征为:lg E=3.84-0.69 lg N和lg E=3.37-0.64 lg N,随冲击能量增加,冲击疲劳寿命降低,相同冲击能量时,HYM42高速钢的疲劳寿命要优于NM42。裂纹形貌观察发现,疲劳裂纹主要萌生于试样表面或大尺寸碳化物(≥10μm)与基体之间的界面,同时会沿塑性流变层与基体之间的界面或原奥晶界发生扩展。此外,小尺寸碳化物(1-3μm)可阻碍裂纹扩展或改变裂纹扩展方向,有利于延缓裂纹扩展速率,对疲劳性能有利。采用日本理学Automate-ⅡX射线衍射仪研究了M42高速钢实际冲头热处理前后的残余应力分布规律。结果表明,M42高速钢实际冲头在挤压态下,冲头尖端横向残余应力为拉应力,冲头底部横向残余应力为压应力,最高能达到-600MPa;经热处理后,冲头的轴向残余应力大部分为压应力,冲头根部的横向残余应力由压应力转变成拉应力,根部残余拉应力为冲头使用过程中断裂的主要原因。

关键词：高速钢碳化物耐磨性冲击疲劳残余应力

珠光体型低铬铸铁冲击疲劳抗力及冲击磨损性能

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钢铁 1996年第11期31卷 48-52页

作者：贺林张长军西安交通大学西安公路交通大学

研究了碳、铬含量对珠光体基体低铬铸铁冲击疲劳抗力及冲击磨损性能的影响。结果表明：碳含量在２．３７％～２．６９％时低铬铸铁可获得较高的冲击疲劳抗力及以石英砂为磨料的较好冲击磨损耐磨性；碳含量变化时，低铬铸铁的冲击疲劳抗... 详细信息

研究了碳、铬含量对珠光体基体低铬铸铁冲击疲劳抗力及冲击磨损性能的影响。结果表明：碳含量在２．３７％～２．６９％时低铬铸铁可获得较高的冲击疲劳抗力及以石英砂为磨料的较好冲击磨损耐磨性；碳含量变化时，低铬铸铁的冲击疲劳抗力及冲击磨损耐磨性与其相对韧性之间存在良好的一致性；铬含量的增加可改善低铬铸铁的综合性能。

关键词：冲击疲劳冲击磨损白口铁珠光体型