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基于均方误差修正的渗碳12CrNi3钢疲劳强度预测模型

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材料科学与工艺 2023年第2期31卷 60-68页

作者：李永平康贺铭李明凯于欢邓海龙内蒙古工业大学机械工程学院呼和浩特010051 内蒙古自治区先进制造技术重点实验室呼和浩特010051

为对渗碳12CrNi_(3)合金钢提供一种安全可靠的高周疲劳强度预测方法,本文利用高频疲劳测试机,在10^(4)~10^(8)循环周次内对渗碳12CrNi_(3)合金钢疲劳试样开展应力比为-1的高周疲劳实验。采用灰色估计法对渗碳12CrNi_(3)钢疲劳数据的威布... 详细信息

为对渗碳12CrNi_(3)合金钢提供一种安全可靠的高周疲劳强度预测方法,本文利用高频疲劳测试机,在10^(4)~10^(8)循环周次内对渗碳12CrNi_(3)合金钢疲劳试样开展应力比为-1的高周疲劳实验。采用灰色估计法对渗碳12CrNi_(3)钢疲劳数据的威布尔W(α,β,γ)参数进行评估,并通过估算的威布尔参数,进一步确定渗碳12CrNi_(3)合金钢强度预测模型的参数。考虑应力-寿命关系,结合疲劳数据的威布尔分布规律,建立了失效概率为1%时的渗碳12CrNi_(3)合金钢高周疲劳强度预测模型。从预测疲劳强度安全可靠性出发,通过均方误差(MSE)方法对模型进行修正,并将修正后模型99%MSE下界线与渗碳12CrNi_(3)合金钢疲劳寿命P-S-N曲线(不同存活率P的S-N曲线)进行对比,研究发现12CrNi_(3)合金钢疲劳寿命数据点均位于模型99%MSE下界线内,预测结果很好。研究表明,在以渗碳12CrNi_(3)合金钢为材料,加载方式为拉压条件下的实际工程中,修正后模型99%MSE下界线可以更安全地作为构件可靠性设计的下界。

关键词： 12CrNi3合金钢威布尔分布 P-S-N曲线均方误差(MSE) 疲劳强度预测

基于内部失效机理预测评估渗碳Cr-Ni齿轮钢的超高周疲劳强度

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材料研究学报 2023年第1期37卷 55-64页

作者：邓海龙刘兵郭扬康贺铭李明凯李永平内蒙古工业大学机械工程学院呼和浩特010051 内蒙古工业大学内蒙古自治区先进制造技术重点实验室呼和浩特010051

对渗碳Cr-Ni齿轮钢进行应力比为0和0.3的室温超高周疲劳实验,观测试样中诱发裂纹萌生的夹杂和疲劳断口形貌,以全面评估渗碳Cr-Ni齿轮钢疲劳性能。将疲劳失效模式分为有细颗粒区(Fine granular area,FGA)的内部疲劳失效和有表面光滑区(Su... 详细信息

对渗碳Cr-Ni齿轮钢进行应力比为0和0.3的室温超高周疲劳实验,观测试样中诱发裂纹萌生的夹杂和疲劳断口形貌,以全面评估渗碳Cr-Ni齿轮钢疲劳性能。将疲劳失效模式分为有细颗粒区(Fine granular area,FGA)的内部疲劳失效和有表面光滑区(Surface smooth area,SSA)的表面疲劳失效,并阐明了渗碳Cr-Ni齿轮钢的超高周内部疲劳破坏机制。基于累积损伤和位错能量法并结合细颗粒区形成机理和夹杂的最大评估尺寸,分别构建了两种渗碳Cr-Ni齿轮钢内部疲劳强度的预测模型。利用FGA尺寸与夹杂尺寸的比值和夹杂应力强度因子及应力比之间的关系,修正所提出的两种疲劳强度预测模型并给出了最大夹杂尺寸下的lFGA-S-N曲线。结果表明,基于累积损伤法和位错能量法分别构建的疲劳强度预测模型都可用于预测评估渗碳Cr-Ni齿轮钢在多种应力比下的内部疲劳强度,基于位错能量法的强度预测模型精度较高。

关键词：金属材料 FGA尺寸评估失效机理累积损伤位错能量法疲劳强度预测

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基于微观划痕的疲劳强度预测

东北大学学报（自然科学版） 2020年第5期41卷 693-699页

作者：丁明超张元良咸宏伟王金龙大连理工大学机械工程学院辽宁大连116023 大连海事大学轮机工程学院辽宁大连116026

对微观划痕进行截面观察,确定截面具有三角形的几何特征.提出了适用于确定微观划痕投影面积的两原则:方向无关和长度无关.据此,建立了微观划痕疲劳损伤参数√areaΔ,定义为多条微观划痕中截面三角形面积平方根的最大值.最后,结合√area... 详细信息

对微观划痕进行截面观察,确定截面具有三角形的几何特征.提出了适用于确定微观划痕投影面积的两原则:方向无关和长度无关.据此,建立了微观划痕疲劳损伤参数√areaΔ,定义为多条微观划痕中截面三角形面积平方根的最大值.最后,结合√areaΔ和Murakami理论,提出了基于微观划痕的疲劳强度模型.利用高强度钢FV520B-I疲劳强度实验和Ti-6Al-4V钛合金现有文献数据对模型进行验证,结果表明该模型具有一定的疲劳强度预测精度优势.

关键词：微观划痕疲劳损伤参数 Murakami理论投影面积疲劳强度预测

基于变密度法的超声辅助焊接小车车架优化及疲劳强度预测

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制造技术与机床 2021年第1期 30-34页

作者：邓海龙刘行郑丽刘其晨郭玉鹏内蒙古工业大学机械工程学院内蒙古呼和浩特010051 鄂尔多斯市特种设备检验所内蒙古鄂尔多斯017000

磁铁安装车架作为超声辅助焊接小车的重要功能部件,对焊接小车超声波辅助空化系统稳定性、安全性及可靠性起到关键作用。基于变密度法和优化准则迭代法,对焊接小车进行拓扑优化分析,以结构柔度最小(外力功最小)为目标函数,体积分数≤54... 详细信息

磁铁安装车架作为超声辅助焊接小车的重要功能部件,对焊接小车超声波辅助空化系统稳定性、安全性及可靠性起到关键作用。基于变密度法和优化准则迭代法,对焊接小车进行拓扑优化分析,以结构柔度最小(外力功最小)为目标函数,体积分数≤54%为约束条件,得到了车架结构的新方案;结合车架材料疲劳失效机理对其进行了疲劳强度预测,构建了车架材料疲劳强度预测模型。结果表明:优化后的车架模型质量减轻了37.5%,较好地达到了优化目标;与原试验数据相比,预测的疲劳强度误差较小且可靠。因此,该方法为超声辅助焊接小车的结构设计及疲劳强度预测提供了良好的思路和借鉴。

关键词：超声辅助焊接小车强度分析变密度法疲劳强度预测

气膜孔对DD6镍基单晶高温合金高周疲劳强度的影响研究

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推进技术 2024年

作者：卢绪平王跃陈墨江荣何云宋迎东南京航空航天大学能源与动力学院中国航发四川燃气涡轮研究院

气膜孔因其特殊的几何构型，在提升涡轮叶片冷却效率的同时，孔边往往存在较为明显的应力集中现象，导致叶片的高周疲劳（High Cycle Fatigue，HCF）失效。因此，本文开展了900℃下振动疲劳试验，以评估圆柱型和簸箕型气膜孔对DD6镍基... 详细信息

气膜孔因其特殊的几何构型，在提升涡轮叶片冷却效率的同时，孔边往往存在较为明显的应力集中现象，导致叶片的高周疲劳（High Cycle Fatigue，HCF）失效。因此，本文开展了900℃下振动疲劳试验，以评估圆柱型和簸箕型气膜孔对DD6镍基单晶高温合金高周疲劳强度的影响，并通过扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope， SEM）和能谱仪(Energy Dispersive Spectroscopy， EDS）分析气膜孔模拟件HCF失效机理。研究发现孔边氧化层在交替载荷作用下存在均布开裂现象，形成尖角，最终导致裂纹萌生，并沿着{111}滑移面扩展。通过有限元仿真分析了孔边应力应变分布，结合临界距离理论，建立了气膜孔高周疲劳强度评估方法和基于疲劳缺口系数经验公式的气膜孔高周疲劳强度预测方法。结果表明：簸箕型气膜孔的高周疲劳强度为298.03 MPa，圆柱型气膜孔高周疲劳强度为321.35 MPa；气膜孔高周疲劳强度预测误差在10%以内。所建立的含异型气膜孔的DD6单晶高温合金高周疲劳强度评估、预测方法可为航空发动机涡轮叶片膜冷却结构疲劳性能的设计和评估提供技术支持。

关键词：单晶高温合金气膜孔应力集中高周疲劳疲劳强度预测

SiCp/Al复合材料结构疲劳强度与疲劳寿命预测模型研究

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SiCp/Al复合材料结构疲劳强度与疲劳寿命预测模型研究

作者：黄申南京航空航天大学

学位级别：硕士

碳化硅颗粒增强铝基复合材料由于力学性能优异且容易制备,在航空航天领域的应用越来越广泛。目前已经应用到航空发动机压气机静子可调导流叶片上,叶片的振动疲劳损坏是常见的故障,针对碳化硅颗粒增强铝基复合材料叶片等复杂结构开展疲... 详细信息

碳化硅颗粒增强铝基复合材料由于力学性能优异且容易制备,在航空航天领域的应用越来越广泛。目前已经应用到航空发动机压气机静子可调导流叶片上,叶片的振动疲劳损坏是常见的故障,针对碳化硅颗粒增强铝基复合材料叶片等复杂结构开展疲劳强度及疲劳寿命研究具有重要的理论意义和工程价值。针对具有非均匀应力场的SiCp/Al复合材料结构,基于SiCp/Al复合材料的疲劳寿命及疲劳强度等疲劳性能,建立SiCp/Al复合材料结构的疲劳强度和疲劳寿命预测方法;为验证所建立的预测方法,建立SiCp/Al复合材料可调静子叶片的高周疲劳试验系统,并开展可调静子叶片的疲劳强度试验。本文的主要工作内容如下:(1)针对具有非均匀应力场的SiCp/Al复合材料结构,基于SiCp/Al复合材料的循环本构、疲劳寿命以及疲劳强度等疲劳性能,采用应力场强法,建立了SiCp/Al复合材料结构的疲劳强度和疲劳寿命的预测模型及方法。(2)针对SiCp/2009Al复合材料可调静子叶片,开展可调静子叶片高周疲劳试验方法研究,建立了可调静子叶片的高周疲劳试验系统,并制定了SiCp/2009Al复合材料可调静子叶片疲劳强度试验方案。(3)开展了SiCp/2009Al复合材料可调静子叶片的疲劳强度试验,测得了可调静子叶片悬臂状态下的疲劳载荷及高周疲劳裂纹起始位置。采用所建立的疲劳强度预测方法对结构进行分析,当可调静子叶片疲劳寿命达到10时,监测点应力的实验值与预测值对比,相对误差为2.67%,验证了SiCp/Al复合材料结构的疲劳强度预测方法的合理性。(4)开展了应力集中系数为2.72的SiCp/Al复合材料V型缺口件的疲劳强度试验,测得疲劳强度为82.20MPa。利用所建立的疲劳强度预测方法,对其进行疲劳强度预测。对比了基于经典一维的三维空间矢量应力场强法和基于有效距离点的三维空间矢量应力场强法,两种形式的应力场强法预测结果的相对误差都在10%以内,其中基于有效距离点的三维空间矢量应力场强法的预测精度为3.87%,更为精确合理。(5)利用所建立的SiCp/2009Al复合材料结构疲劳寿命预测方法,对SiCp/2009Al复合材料缺口件的低周疲劳寿命进行预测,结果表明:缺口试件的低周疲劳寿命预测结果都在二倍误差分散带以内,较为合理。

关键词：碳化硅颗粒增强铝基复合材料叶片振动疲劳试验应力场强法疲劳强度预测疲劳寿命预测非均匀应力场

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蠕墨铸铁氧化、拉伸与高周疲劳性能研究

蠕墨铸铁氧化、拉伸与高周疲劳性能研究

作者：陈宇郑州大学

学位级别：硕士

蠕墨铸铁因其良好的综合性能而成为了制备柴油发动机气缸盖的首选材料。随着柴油机功率密度的提升以及环保要求的日益严苛,气缸盖将面临着更加恶劣的服役环境,这将严重损害其力学性能。对于缸盖而言,高温氧化和高周疲劳是服役期间常见... 详细信息

蠕墨铸铁因其良好的综合性能而成为了制备柴油发动机气缸盖的首选材料。随着柴油机功率密度的提升以及环保要求的日益严苛,气缸盖将面临着更加恶劣的服役环境,这将严重损害其力学性能。对于缸盖而言,高温氧化和高周疲劳是服役期间常见的工程问题,本文以此为切入点,研究了蠕墨铸铁的静态高温氧化行为和相关机理,并通过热处理调整蠕墨铸铁的基体组织,研究了珠光体含量对拉伸性能、疲劳性能及相应损伤机理的影响。主要研究内容以及结论如下:(1)将蠕墨铸铁分别置于450℃和500℃的大气环境中进行了静态不连续氧化实验。研究发现,蠕墨铸铁的氧化速率遵循抛物线规律。试样表面裸露的基体和石墨率先被氧化,表面生成氧化层的厚度随着氧化时间的延长呈现抛物线增长的规律,表面严重氧化的蠕虫状石墨形成了“氧化通道”,氧气可以由此进入基体内部。氧化的蠕虫状石墨倾向于沿着与其相邻的珠光体扩展,这导致了基体内珠光体含量下降。(2)通过退火和正火调整了蠕墨铸铁基体内珠光体的含量,对不同珠光体含量的蠕墨铸铁进行了室温拉伸及高周疲劳实验。研究发现,抗拉强度和疲劳强度均随珠光体含量的提升而提升,抗拉强度提升更加明显。疲劳微裂纹倾向于在石墨/铁素体界面萌生,微裂纹通过桥联形成主裂纹,导致最终的疲劳断裂。疲劳比随着珠光体含量的增加呈现出一种线性下降关系,由此提出了一种通过珠光体含量和抗拉强度预测蠕墨铸铁疲劳强度的方法:σ=(mC+n)·σ。(3)对不同珠光体含量的蠕墨铸铁进行了500℃的高温拉伸以及高周疲劳实验。研究发现,提升珠光体含量可以提升蠕墨铸铁的高温抗拉强度和疲劳强度,与室温相比,高温下蠕墨铸铁强度明显降低。500℃时,由于珠光体的抗氧化能力较弱,疲劳裂纹不仅可以在石墨/铁素体界面萌生,还可以在石墨/珠光体界面萌生。较短的氧化时间对疲劳裂纹扩展阶段的影响更大,长时间的氧化则对疲劳裂纹的萌生和扩展过程均有影响。经过验证,σ=(mC+n)·σ这一预测方法可以准确预测蠕墨铸铁的高温高周疲劳强度。

关键词：蠕墨铸铁高温氧化热处理微观组织拉伸性能高周疲劳损伤机理疲劳强度预测

外物损伤对钛合金TC4高周疲劳强度的影响研究

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机械强度 2014年第3期36卷 357-362页

作者：黄伟陈伟潘辉赵振华中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院大型客机项目管理部上海201203 南京航空航天大学能源与动力学院南京210016 中国燃气涡轮研究院成都610500

航空发动机风扇/压气机叶片工作时易遭受毫米级尺度硬物冲击产生的外物损伤(foreign object damage,FOD),在高频振动疲劳载荷作用下,FOD极易诱使裂纹萌生并快速扩展,引起叶片的疲劳断裂失效。利用空气炮试验系统,开展了TC4平板试样的FO... 详细信息

航空发动机风扇/压气机叶片工作时易遭受毫米级尺度硬物冲击产生的外物损伤(foreign object damage,FOD),在高频振动疲劳载荷作用下,FOD极易诱使裂纹萌生并快速扩展,引起叶片的疲劳断裂失效。利用空气炮试验系统,开展了TC4平板试样的FOD模拟试验,对冲击损伤的宏观和微观特征进行了分析,冲击损伤区域有较明显的塑性变形、微裂纹和褶皱等特征。试验研究了FOD对TC4合金高周疲劳强度影响,得到了损伤大小对疲劳强度的影响规律。研究结果表明冲击损伤为疲劳裂纹的萌生提供了有利条件,基于光滑缺口假设的传统缺口疲劳理论在进行FOD试样的疲劳强度预测时能反映冲击损伤对疲劳强度的影响规律,但存在一定的误差。

关键词：叶片外物损伤高周疲劳疲劳强度预测

含孔缺陷的A7N01P-T4铝合金疲劳性能及寿命研究

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含孔缺陷的A7N01P-T4铝合金疲劳性能及寿命研究

作者：屈莎力西南交通大学

学位级别：硕士

孔洞、槽等宏观缺陷部位是导致材料疲劳断裂重要原因之一,由于缺陷本身以及周围缺陷的影响使得含有多重缺陷的材料常常无法达到预想的疲劳寿命,因此难以准确地对材料寿命进行评估。本文课题以高速列车上的A7N01P-T4铝合金为研究对象,通... 详细信息

孔洞、槽等宏观缺陷部位是导致材料疲劳断裂重要原因之一,由于缺陷本身以及周围缺陷的影响使得含有多重缺陷的材料常常无法达到预想的疲劳寿命,因此难以准确地对材料寿命进行评估。本文课题以高速列车上的A7N01P-T4铝合金为研究对象,通过钻孔引入多孔缺陷,研究含孔缺陷及多重孔缺陷的A7N01P-T4铝合金在室温无腐蚀介质环境下的疲劳裂纹萌生和扩展行为。本文主要研究含多重孔缺陷的A7N01P-T4铝合金在室温无腐蚀介质环境下疲劳萌生和扩展行为,并结合红外热像法和FKM方法预测多重孔缺陷下A7N01P-T4铝合金的疲劳寿命和强度。通过在GPS100数字化高频疲劳机上对应力比R=0.1的不同间距的孔缺陷试样和不同数量孔缺陷试样进行高周疲劳试验,发现S1/D2=1.2是相互作用增强的临界点,并通过面积参数(?)和间距影响系数α来表征多孔缺陷数量和孔间间距对疲劳的影响。通过体式显微镜和扫描电镜研究多孔缺陷裂纹萌生规律及萌生机理。结果发现含孔缺陷的A7N01P-T4铝合金由于很少有未溶粗大杂质相和硬脆第二相分布在晶界,裂纹萌生是由滑移带在试样表面造成“侵入”和“挤出”使表面形成非连续界面造成二次应力集中所致。当孔缺陷间距缩小时,侧孔周围应力场会逐渐升高,与中心孔周围应力场形成高应力区(相对于屈服强度),微裂纹会以概率增高形式侧孔表面萌生。对不同孔缺陷分布试样进行裂纹扩展试验,结果表明孔缺陷本身会钝化裂纹尖端使裂纹传播到孔缺陷中的应力强度因子下降。由于裂纹总是沿着最小阻力的方向扩展,孔缺陷周围应力场梯度对裂纹扩展有促进和“导向”作用,结合试验结果,孔缺陷对于裂纹扩展的影响以阻碍裂纹扩展为主。孔间间距对裂纹扩展的作用小于裂纹遇到孔缺陷时应力强度因子大小的影响。含有缺陷的A7N01P-T4铝合金试样的疲劳裂纹以沿晶和穿晶混合的方式扩展,高应力场区会为裂纹的沿晶扩展提供驱动力。含孔缺陷的A7N01P-T4铝合金在疲劳过程中温度演化曲线大致分为四个阶段:初始温升阶段、温度稳定缓降阶段、温度稳定缓慢上升阶段和温度快速上升断裂阶段。在交变载荷的作用下,由于孔缺陷周围应力集中使晶内摩擦和位错运动更剧烈,使孔缺陷周围的温升速率和温升会大于远离孔缺陷的区域。通过红外热像仪对含孔缺陷的A7N01P-T4铝合金试件进行疲劳寿命预测,建立了在一定频率和应力比下的A7N01P-T4多重孔缺陷铝合金试件的预测模型,预测结果和试验结果表现出一致性,表明了利用红外热像仪对于多重缺陷材料寿命预测的可行性;采用FKM法在考虑试验材料、疲劳缺口系数、平均应力和孔缺口粗糙度等因素的前提下,对含有多孔缺陷的A7N01P-T4铝合金进行疲劳强度的预测,预测结果较为准确,有良好的工程应用前景。

关键词： A7N01P-T4铝合金多重孔缺陷裂纹萌生裂纹扩展疲劳强度预测