三维疲劳裂纹扩展分析研究前沿与进展

背景-小缺陷终将酿成大事故
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2. 基于常规疲劳实验的破坏机制与寿 命的探索研究
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基于表明的裂纹长度测量
136334次 182703次
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300μm da/dN=0.8×10E-6mm/次，近门槛
da/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
142700次 189148次
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
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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
0.2 mm
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先进焊接工艺
激光-电弧复合焊
搅拌摩擦焊（FSW）
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高端成果之五
团队：Zhang H，Toda H，Qu PC et al 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：Acta Mater 57（2009）3287-3300 线站：日本Spring-8，BL-20XU 尺寸：半径0.1 mm的SEN样，切取0.6×0.6 ×12 mm³ 参数：分辨率0.47μm，能量20 keV，4000×2624 CCD 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；
背景-刹车制动盘
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背景-受电弓
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代表成果之一
团队：Buffière JY，Savelli S，Jouneau PH et al 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：Mater Sci Eng A316（2001）115-126 线站：欧洲ESRF，BL-ID19 尺寸：直径3.0 mm的沙漏试样（表面未经抛光） 参数：分辨率1.88μm，能量23 keV，1024² CCD 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
1. 高速列车基础结构-研究背景
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背景-技术整体
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疲劳断裂机理
原位SEM疲劳实验
裂纹萌生及起裂的光学照片
(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
采用先进工艺，提升焊接质量，对缺陷进行稳定性评定！ SELF-ASSESSMENT REPORT FOR THE ASSESSMENT OF UNDERGRADUATE TEACHING
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国内外研究概况
两大阵营： • 法国Buffière JY组，基于ESRF上的BLID19 • 日本Toda T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《Acta Mater》
微结构特征
50倍，左熔合线
50倍，右熔合线
HAZ柱状晶；FZ铸态等轴枝晶；FL有析出物带
1000倍，右熔合线
500倍，左母材
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服役性能数据获取
SS-550型原位疲劳试验机
蜀道难难于 上青天！
复合焊接优点： 激光焊 a、能源利用率高
激光-电弧复合焊
电弧焊
搅拌摩擦焊
b、焊接速度快
1000μm
c、焊缝熔深大
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
d、柔性好
SELF-ASSESSMENT REv=PO5R.0T mFO/RmTiHnE ASSEvS=S8M.0ENmT/OmFiUnNDERGvR=A4D.0UmAT/EmTiEnACHING v=0.05 m/min
背景-焊接车体
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背景-高速转向架
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破坏断口测量
原位SEM疲劳实验
裂纹起裂于和穿过气孔的直接证据
(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
必须深入揭示气孔致裂纹萌生和扩展机理！ SELF-ASSESSMENT REPORT FOR THE ASSESSMENT OF UNDERGRADUATE TEACHING
疲劳短裂纹机制和长裂纹扩展行为
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！
255794次
多裂纹 主裂纹
262348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SE位LF-疲ASS劳ESS样ME约NT R为EP传ORT统FO试R T样HE 寿ASS命ESS5M倍ENT，OF前UN者DE试RGR样AD尺UAT寸E T小EA，CHI缺NG 陷概率小
寿命评价方法与区间
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3. 基于先进μCT的疲劳损伤演变和裂 纹萌生机制的研究
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背景-齿轮及箱体
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背景-小缺陷终将酿成大事故
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高端成果之四
团队：Ludwig W，Reischig P，King A et al（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：Rev Sci Instrum 80（2009）033905-1-9 线站：法国ESRF，BL-ID19 尺寸：0.6 mm圆棒 参数：分辨率0.56μm，能量40 keV 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
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代表成果之三
团队：Toda H，Yamamoto S，Kobayashi M et al 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：Acta Mater 56（2008）6027-6039 线站：日本Spring-8，BL-47XU 尺寸：预制0.3 mm的SEN样，切取0.6×0.6 ×11 mm³ 参数：分辨率0.47μm，能量20 keV，4000×2624 CCD 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
State key Laboratory of Traction Power
中南大学交流
三维疲劳裂纹扩展分析研究前沿 与进展
吴圣川 博士 牵引动力国家重点实验室
2014年5月28日
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高端成果之六
团队：Toda H，Masuda S，Batres R et al 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：Acta Mater 59（2011）4990-4998 线站：日本Spring-8，BL-47XU 尺寸：0.4×0.6×0.6 mm³ 参数：分辨率0.50μm，能量20 keV，4000×2624 CCD 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
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代表成果之二
团队：Buffière JY，Ferrie E，Proudhon H et al 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：Mater Sci Tech 22（2006）1019-1024（综述） 线站：欧洲光源ESRF，BL-ID19 尺寸：1.0×1.0×1.4 mm³ 参数：分辨率0.7μm，能量30 keV，2048² CCD 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）
HFP-5000高频 • 预制裂纹：16KN 疲劳试验机 • 实验荷载：12KN
MTS-809液压伺 服多功能试验机
• 最大动载：50kN
13W线站实验室
SELF-ASSE•S频SM率E：NT60R-E30P0OHRzT FOR THE ASSESSMENT OF UNDERGRADUATE TEACHING