三维疲劳裂纹扩展分析研究前沿与进展

SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING吴圣川博士牵引动力国家重点实验室2014年5月28日StatekeyLaboratoryofTractionPower三维疲劳裂纹扩展分析研究前沿与进展中南大学交流SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING1.高速列车基础结构-研究背景SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING背景-技术整体SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING背景-焊接车体SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING背景-高速转向架SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING背景-刹车制动盘SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING背景-受电弓SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING背景-齿轮及箱体SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING背景-小缺陷终将酿成大事故SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING背景-小缺陷终将酿成大事故SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING2.基于常规疲劳实验的破坏机制与寿命的探索研究SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING运载工具中的制造常规弧焊高强铝合金的主要不足：焊接变形大焊接效率低接头软化严重气孔多且难避免0.2mmSELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING复合焊接优点：a、能源利用率高b、焊接速度快c、焊缝熔深大d、柔性好1000μm电弧焊激光-电弧复合焊激光焊v=5.0m/minv=8.0m/minv=4.0m/min先进焊接工艺激光-电弧复合焊搅拌摩擦焊（FSW）搅拌摩擦焊蜀道难难于上青天！v=0.05m/minSELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING微结构特征50倍，左熔合线50倍，右熔合线1000倍，右熔合线500倍，左母材HAZ柱状晶；FZ铸态等轴枝晶；FL有析出物带SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING服役性能数据获取MTS-809液压伺服多功能试验机SS-550型原位疲劳试验机•预制裂纹：16KN•实验荷载：12KN•最大动载：50kN•频率：60-300HzHFP-5000高频疲劳试验机13W线站实验室SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING基于表明的裂纹长度测量Pmax=0.60σ0.2Ao，频率10Hz，应力比R=0.1(a)裂纹并发及遮蔽效应(b)裂尖前沿区域二次裂纹(c)裂纹变向与分叉(d)裂纹萌生于表面划痕(e)裂纹汇合及穿过缺陷(f)裂纹沿弱晶界穿过SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING136334次142700次da/dN=0.8×10E-6mm/次，近门槛10次时，裂纹先缺陷尖端产生，至13000次不扩展；至63383次裂纹起于表面划痕，总长已300μmda/dN=5.6×10E-6mm/次裂纹稳定扩展阶段，但表现为多个裂纹并发模式182703次189148次裂纹扩展速率为4.0×10E-5mm/次，据此判断接头中裂纹已处于快速扩展阶段，至262884次时瞬断破坏。原位疲劳样约为传统试样寿命5倍，前者试样尺寸小，缺陷概率小多裂纹主裂纹255794次262348次基于表明的裂纹长度测量SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING(a)裂纹起裂于内部缺陷(b)表面缺陷引发多裂纹(c)焊缝中固有热裂纹(d)裂纹贯穿链状夹渣(e)裂纹沿着缺陷扩展(f)裂纹沿弱晶界穿过裂纹萌生及起裂的光学照片疲劳断裂机理原位SEM疲劳实验采用先进工艺，提升焊接质量，对缺陷进行稳定性评定！SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING(a)裂纹进入气孔，钝化(b)气孔严重变形，起裂(c)气孔变形，并裂于气孔(d)气孔变形，并裂于气孔(e)多裂纹并发起裂扩展(f)多个裂纹面切割气孔裂纹起裂于和穿过气孔的直接证据破坏断口测量原位SEM疲劳实验必须深入揭示气孔致裂纹萌生和扩展机理！SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING寿命评价方法与区间SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING3.基于先进μCT的疲劳损伤演变和裂纹萌生机制的研究SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING工程材料的损伤累积致断裂失效行为对于改进工艺设计与准确预测构建寿命具有重要意义。传统的基于切片的OM和SEM等方法仅能获得露出表面的疲劳裂纹，而内部气孔、第二相粒子、夹渣、组织等引起的三维疲劳裂纹扩展及其耦合行为与表面完全不同，且更为主要和重要。高精度、高亮度、高准直的第三代同步辐射X射线成像术使得人们能够深入到材料内部，准确探测疲劳损伤和断裂的行为及其演变规律！疲劳短裂纹机制和长裂纹扩展行为SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING两大阵营：•法国BuffièreJY组，基于ESRF上的BLID19•日本TodaT组，基于Spring-8上的BL47-XU•其他组：德国和美国，各有一篇文章发表均质材料：6061、2027、2024、Al-Si-Mg、Al-Mg-Si，热轧7000系铝合金、等温球墨铸铁、Ti-6Al-4V等重构工具：Amira、VGstudio、Avizo、ImageJ等成果发表：95%以上的发表在《ActaMater》国内外研究概况SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING代表成果之一团队：BuffièreJY，SavelliS，JouneauPHetal材料：铸造Al-7Si-0.3Mg目标：离线式侦测铸造气孔致疲劳裂纹萌生和扩展发表：MaterSciEngA316（2001）115-126线站：欧洲ESRF，BL-ID19尺寸：直径3.0mm的沙漏试样（表面未经抛光）参数：分辨率1.88μm，能量23keV，1024²CCD结论：沿晶界分布的氢气孔易诱发裂纹，影响低周疲劳性，但裂纹趋近气孔时，速率降低；高周疲劳时晶界对裂纹有屏蔽效应；且裂纹在内部速率高于表面SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING代表成果之二团队：BuffièreJY，FerrieE，ProudhonHetal材料：Al-Li合金，细晶尺寸约1μm（模拟长裂纹）目标：同步式侦测自然和人造缺陷致裂纹萌生发表：MaterSciTech22（2006）1019-1024（综述）线站：欧洲光源ESRF，BL-ID19尺寸：1.0×1.0×1.4mm³参数：分辨率0.7μm，能量30keV，2048²CCD结论：总结了基于μCT的裂纹萌生和扩展机制研究的关键技术和设备，考察了微观组织短裂纹和长裂纹萌生（气孔类等缺陷）及扩展机制（晶界影响形貌及速率）SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING代表成果之三团队：TodaH，YamamotoS，KobayashiMetal材料：Al-Si-Mg与含25.6%Si的双相铝合金目标：原位拉伸，测定CTOD作为裂纹驱动参数发表：ActaMater56（2008）6027-6039线站：日本Spring-8，BL-47XU尺寸：预制0.3mm的SEN样，切取0.6×0.6×11mm³参数：分辨率0.47μm，能量20keV，4000×2624CCD结论：提出一个新的混合型裂纹尖端的定义方法以测定CTOD评定裂纹扩展驱动性；材料变形中，裂纹尖端区域形成的空穴发生了聚合SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING高端成果之四团队：LudwigW，ReischigP，KingAetal（法国）材料：亚稳态β钛合金，晶界析出第二相目标：原位成像材料变形中晶粒形貌和取向发表：RevSciInstrum80（2009）033905-1-9线站：法国ESRF，BL-ID19尺寸：0.6mm圆棒参数：分辨率0.56μm，能量40keV结论：提出一个新的三维晶粒形貌与取向的“X射线衍射衬度成像（DCT）”技术，为未来揭示疲劳裂纹萌生与微观组织结构之间的关系提供了潜在的强大工具SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING高端成果之五团队：ZhangH，TodaH，QuPCetal材料：铸造Al-Mg-Si目标：原位疲劳，揭示裂纹扩展相关特性发表：ActaMater57（2009）3287-3300线站：日本Spring-8，BL-20XU尺寸：半径0.1mm的SEN样，切取0.6×0.6×12mm³参数：分辨率0.47μm，能量20keV，4000×2624CCD结论：裂纹发生重叠和分叉后，主裂纹的增长速率降低；主裂纹遇到扭转的晶界后易重叠；由于裂纹尖端屏蔽效应，分叉后长裂纹段的扩展快于短裂纹段；SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING高端成果之六团队：TodaH，MasudaS，BatresRetal材料：压铸Al-7Mg-0.3Si，T6状态目标：原位疲劳，揭示“气孔对”对裂纹萌生和寿命影响发表：ActaMater59（2011）4990-4998线站：日本Spring-8，BL-47XU尺寸：0.4×0.6×0.6mm³参数：分辨率0.50μm，能量20keV，4000×2624CCD结论：次表面密集分布的气孔是裂纹萌生主因，尤其是气孔对的平均直径及气孔对到样品表面平均距离是控制疲劳裂纹萌生和寿命的主要因素SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING代表成果之七团队：ProudhonH，MoffatA，SinclairIetal（法国）材料：激冷铸造2027-T351；机械合金化细晶5091目标：原位疲劳，验证粗糙度和塑性闭合及过载效应发表：CRPhysique13（2012）