航空发动机钛合金材料的高周和超高周疲劳性能研究1）

通过对航空发动机空心风扇叶片用Ti-6Al-4V 随炉试样的高周和超高周疲劳试验研究,揭示了Ti-6Al-4V 材料在10⁷ 循环周次以上同样会发生疲劳破坏. 采用三参数幂函数寿命曲线拟合了高周和超高周的疲劳性能数据,发现可以较好地将两种试验下的数据衔接起来,结果显示在此试验条件下基于超声的超高周疲劳试验的频率效应可以忽略. 通过断口分析表明,超高周试样在试样表面没有缺陷的情况下,裂纹大多数是从材料内部或次表面萌生,而高周疲劳试样的裂纹是从材料表面开始萌生.     

Ti-6Al-4V在模拟体液中的超高周疲劳裂纹萌生与扩展

采用超声疲劳方法,开展了医用Ti-6Al-4V在实验室大气和模拟体液两种环境条件下105~109周次范围内的疲劳实验,研究了Ti-6Al-4V的疲劳裂纹萌生与初始扩展行为。实验结果表明:与实验室大气相比,在模拟体液环境下,Ti-6Al-4V的疲劳强度降低了约200MPa。主要原因是疲劳裂纹扩展门槛值减小,促进了疲劳裂纹的萌生和扩展。在两种环境下都发现:高应力短寿命条件下,疲劳裂纹萌生源于微区破碎;而在低应力长寿命条件下,疲劳裂纹萌生源于微区开裂。理论分析表明,粒状亮面(Granular Bright Face,GBF)区的形成与裂纹尖端塑性区和Ti-6Al-4V晶粒尺寸大小有关。     

A review on mechanisms and models for very-high-cycle fatigue of metallic materials

在循环载荷作用下, 合金材料发生裂纹萌生、扩展直至断裂的周次在10⁷以上的过程被称为超高周疲劳 (very-high-cycle fatigue, VHCF).本综述将从30年前超高周疲劳的研究起源讲起, 直到近年的最新进展.引言之后的内容包括: 超高周疲劳研究的起源, 超高周疲劳的主要特征, 超高周疲劳裂纹萌生特征区和特征参量, 裂纹萌生特征区的形成机理与模型, 超高周疲劳性能预测模型. 在叙述中, 试图回答下列问题: 什么是超高周疲劳?为什么要研究超高周疲劳?超高周疲劳的关键科学问题是什么?超高周疲劳的S-N曲线趋势为什么发生变化?超高周疲劳裂纹为什么萌生于材料 (试样) 内部?裂纹内部萌生的过程和机理是什么? 上述问题有的可以给出明确的回答, 有的则是现阶段的最新结果, 并有待于对问题的继续探索.     

合金材料超高周疲劳的机理与模型综述

在循环载荷作用下, 合金材料发生裂纹萌生、扩展直至断裂的周次在107以上的过程被称为超高周疲劳 (very-high-cycle fatigue, VHCF).本综述将从30年前超高周疲劳的研究起源讲起, 直到近年的最新进展.引言之后的内容包括: 超高周疲劳研究的起源, 超高周疲劳的主要特征, 超高周疲劳裂纹萌生特征区和特征参量, 裂纹萌生特征区的形成机理与模型, 超高周疲劳性能预测模型. 在叙述中, 试图回答下列问题: 什么是超高周疲劳?为什么要研究超高周疲劳?超高周疲劳的关键科学问题是什么?超高周疲劳的S-N曲线趋势为什么发生变化?超高周疲劳裂纹为什么萌生于材料 (试样) 内部?裂纹内部萌生的过程和机理是什么? 上述问题有的可以给出明确的回答, 有的则是现阶段的最新结果, 并有待于对问题的继续探索.      

合金材料超高周疲劳的机理与模型综述

在循环载荷作用下,合金材料发生裂纹萌生、扩展直至断裂的周次在10~7以上的过程被称为超高周疲劳(very-high-cycle fatigue,VHCF).本综述将从30年前超高周疲劳的研究起源讲起,直到近年的最新进展.引言之后的内容包括:超高周疲劳研究的起源,超高周疲劳的主要特征,超高周疲劳裂纹萌生特征区和特征参量,裂纹萌生特征区的形成机理与模型,超高周疲劳性能预测模型.在叙述中,试图回答下列问题:什么是超高周疲劳?为什么要研究超高周疲劳?超高周疲劳的关键科学问题是什么?超高周疲劳的S-N曲线趋势为什么发生变化?超高周疲劳裂纹为什么萌生于材料(试样)内部?裂纹内部萌生的过程和机理是什么?上述问题有的可以给出明确的回答,有的则是现阶段的最新结果,并有待于对问题的继续探索.     

模拟体液环境下植入用Ti6Al7Nb合金的高周疲劳行为

Ti6Al7Nb合金作为一种新型的医用植入材料,在临床上已得到了推广应用,其在人体内长期服役情况下的疲劳行为值得关注。本文采用超声加速振动疲劳实验结合扫描电子显微镜微观观察,研究了植入用Ti6Al7Nb合金在空气和模拟体液环境下的高周疲劳行为。结果显示,Ti6Al7Nb合金不存在传统意义上的疲劳极限,其疲劳强度随着循环周次的增大而减小;Ti6Al7Nb合金在模拟体液环境中的疲劳性能远低于空气环境中,在108周次下的疲劳强度比空气环境中低23%;Ti6Al7Nb合金在空气和模拟体液中的疲劳性能都低于Ti6Al4V合金。断口显微观察发现,疲劳裂纹均萌生于试样表面。模拟体液会导致材料脆化,促进表面疲劳裂纹的萌生,从而降低材料的疲劳强度。     

微粒子喷丸对等温淬火球墨铸铁超高周疲劳性能的影响

为分析微粒子喷丸工艺对等温淬火球墨铸铁(ADI)超高周疲劳性能的改善情况,利用旋转弯曲疲劳试验机开展了ADI 109循环周次疲劳试验。对比分析了经微粒子喷丸处理前后试样的疲劳性能,并利用扫描电镜对断口表面进行观察,分析了其超高周疲劳破坏行为。结果表明:未喷丸和喷丸处理后ADI的S-N曲线均表现为典型的阶梯下降型,且在超高周区域没有传统疲劳极限。微粒子喷丸可显著提高原始材料高周阶段的疲劳强度,超高周阶段的疲劳强度也有一定程度的提升。断口观察显示,超高周阶段两种试样均起裂于内部的缩孔或石墨球,并且部分断口表面可观察到粒状亮面GBF(granular bright face)区域。微粒子喷丸所引入的硬化层及残余压应力迫使疲劳裂纹萌生位置向内部转移。通过降低裂纹萌生位置的应力可改善旋转弯曲条件下超高周阶段的疲劳强度。     

CrMoW转子钢高温超高周裂纹扩展及疲劳行为研究

本文研究了超超临界汽轮机CrMoW转子钢在常温与600℃条件下的超高周旋转弯曲疲劳行为。实验中利用位移传感器原位监测试件挠度变化,研究裂纹的萌生与扩展特性。研究结果发现,在常温下,疲劳裂纹主要萌生于试样表面,但也发现超高周次疲劳破坏的裂纹萌生于内部的情形。600℃时,S-N曲线呈现直线下降的趋势;大多试样裂纹萌生区和初始扩展区发现非金属夹杂物,其裂纹萌生是表面裂纹起源和亚表面夹杂物相耦合的结果。裂纹萌生寿命占整个疲劳寿命的90%以上,裂纹萌生寿命百分比(Ni/Nf)随疲劳寿命的延长而增大,并且温度对裂纹萌生寿命百分比没有影响。     

超声冲击对铝合金搅拌摩擦焊接头超高周疲劳性能的影响

本文通过超声疲劳试验方法研究了超声冲击处理对两种铝合金(AA6061和AA7075)搅拌摩擦焊接头超高周疲劳行为(107~109周次)的影响。利用微观组织、显微硬度以及X射线衍等方法对表面处理技术对试样表层材料的作用进行了表征。结果显示,超声冲击处理可以在接头表面形成强化层,使疲劳裂纹源由试样表面转移至内部。对铝合金AA6061,接头处理前后疲劳强度差异不大,但可明显提高AA7075接头的疲劳寿命。最后,对疲劳裂纹萌生的特点和表面强化层以及残余应力对疲劳强度的作用机制进行了分析。     

GCr15钢超声微动疲劳性能研究

由微动产生的裂纹萌生对钢组件的疲劳强度具有重要影响。本文选择GCr15轴承钢,在20kHz超声疲劳试验机提供的循环载荷作用下,测试其超长寿命微动疲劳性能。试验结果显示,在109循环周次下微动疲劳强度影响因子达到0.37。通过电子扫描电镜观察试件磨损面和微动疲劳断口,并分析了高频超长寿命微动疲劳断裂机理。高周疲劳裂纹通常会在磨损面的粘着区与滑移区交界处萌生,超高周疲劳裂纹在粘着区内萌生。微动磨损面的面积以及磨损面的粘着区都随着试件疲劳寿命的增加而增加。     

45CrNiMoVA钢的低周疲劳特性和表面疲劳裂纹的在位观测

利用MTS810材料试验机对带中心圆孔的45CrNiMoVA钢低周疲劳特性进行了研究,并借助长焦显微镜和CCD摄像头对试样表面裂纹的演化规律进行了在位停机观测和在位不停机连续观测尝试,试验发现,裂纹均萌生于与拉伸应力垂直的圆孔边缘;疲劳裂纹的萌生与Lueders形变带密切相关,萌生期超过整个疲劳寿命的70%,主裂纹的发展既可以共面扩展的方式向前连续延伸,也可以裂纹连接的方式向前跳跃传播,应力控制的低周疲劳条件下,疲劳寿命与应力面形貌图像,频闪光源照明可以实现表面疲劳裂纹的在位不停机观测。     

大气预腐蚀下ER8C车轮钢的疲劳寿命评估

随着高速列车车轮服役里程的增加，车轮辐板持续遭受潮湿大气甚至海洋大气环境的考验，点蚀成为车轮失效的主要原因之一.论文首先在大气自然环境下对ER8C车轮钢高周疲劳试样开展为期180天的曝晒(预腐蚀)试验，随后进行表面形貌和疲劳性能表征.结果表明，预腐蚀后车轮钢的疲劳极限为387 MPa,相比光滑试样下降12%;这主要是由于预腐蚀造成的腐蚀坑使试样表面局部应力集中，加速了疲劳裂纹萌生.采用激光共聚焦显微镜统计预腐蚀试样表面蚀坑尺寸，使用由均值蚀坑尺寸计算得到等效初始缺陷尺寸(EIFS),对预腐蚀车轮钢试样的疲劳寿命进行预测，避免腐蚀疲劳裂纹萌生以及短裂纹扩展对疲劳寿命预测的影响；预测结果与实验结果较为符合，证明了该方法的可行性.论文的主要结论是，通过统计试样表面蚀坑尺寸的均值来获得EIFS的方法，可以计算得到大气预腐蚀后车轮钢的剩余寿命，这验证了EIFS方法在大气预腐蚀下材料疲劳寿命研究中的适用性.     

孔径尺寸对干涉配合铆接件超高周疲劳性能的影响

合理的干涉配合铆接工艺可以有效提高构件疲劳性能,本文通过试验研究与数值模拟相结合分析孔径尺寸对干涉配合铆接件超高周疲劳性能的影响。利用20kHz超声疲劳试验系统测试了三种不同孔径尺寸下干涉配合铆接件的超高周疲劳性能;基于ABAQUS模拟分析了铆接工艺过程以及孔径尺寸对干涉量和孔边残余应力的影响,通过分析高频低幅加载下孔边应力分布,结合超高周疲劳试验及断口形貌观察,分析了孔径尺寸对铆接件超高周疲劳性能的影响。结果表明:不同孔径尺寸铆接件的裂纹萌生扩展方式类似,疲劳裂纹萌生均发生在孔边距表面1.5mm最大残余拉应力处;适当减小孔径尺寸所形成的合理干涉量可以提高铆接件疲劳寿命,φ4.10mm的孔径可以形成0.66%的孔边平均干涉量,铆接件疲劳寿命最高达到3.63×108周。     

金属材料疲劳裂纹扩展机制及模型的研究进展

裂纹萌生、扩展和断裂行为及其与材料本身和外部因素的关联一直是工程与科学界的重要研究课题。本文总结了影响疲劳裂纹扩展的多种因素，综述了高周疲劳裂纹扩展的唯象模型和理论模型，以及低周和超高周疲劳裂纹扩展模型的新进展(包括基于能量的和考虑概率的)。综合前述模型优缺点，提出了一种基于单轴拉伸性能的新型疲劳裂纹扩展模型(iLAPS)。分析表明，新模型iLAPS与多种常用材料的疲劳裂纹扩展试验数据吻合较好，并且能够准确地给出不同应力比下的裂纹扩展速率曲线。最后，对先进材料抗疲劳开裂性能的高通量表征及运维技术进行了展望。     

超声疲劳载荷下球墨铸铁裂纹扩展速率研究

论文采用超声疲劳试验技术测试了发动机曲轴用球墨铸铁的超高周疲劳强度及超声疲劳载荷下的裂纹扩展速率.考虑高频载荷下疲劳裂纹扩展过程中的温升效应,测试了球墨铸铁超声疲劳裂纹扩展过程中的温度变化,研究了超声微幅循环载荷下球墨铸铁的疲劳裂纹萌生与扩展机制.根据超声疲劳试验控制位移的加载特点及超声疲劳试样几何形状特征,数值计算了超声疲劳裂纹扩展应力强度因子,给出了该球墨铸铁超声疲劳裂纹扩展速率曲线.     

干态下车轮材料表面疲劳裂纹萌生试验研究

利用WR-1轮轨滚动磨损试验机,结合安定极限理论研究了干态下影响车轮材料表面疲劳裂纹萌生与扩展的因素,探究了表面疲劳损伤形成机理和演变规律.结果表明:随垂向力、横向力和冲角增大,表面疲劳裂纹越容易萌生扩展;冲角对表面疲劳裂纹的萌生与扩展起着重要作用,大冲角下斜线状表面疲劳裂纹萌生扩展明显;只有横向力而不存在冲角时,试样表面不会出现斜线状表面疲劳损伤;车轮试样在周期性循环载荷作用下在表面先形成塑性流动,然后沿轮轨表面切向力方向扩展成斜线状的表面疲劳起皮剥落损伤;垂向力是影响表面裂纹萌生时间的重要因素之一.     

Ti-46Al-2Cr-2Nb和Ti6Al4V合金的干摩擦学性能对比研究

本文以商业Ti-6Al-4V合金为参照,考察了Ti-46Al-2Cr-2Nb(原子比)金属间化合物在不同载荷和速率下的干摩擦学行为,结果表明:Ti-46Al-2Cr-2Nb和Ti6Al4V合金的摩擦系数几乎相同,而Ti-46Al-2Cr-2Nb金属间化合物比Ti-6Al-4V具有更好的抗磨性;Ti-46Al-2Cr-2Nb和Ti6Al4V合金的磨损率均随载荷的增加而增加,Ti-46Al-2Cr-2Nb合金磨损率随滑动速率增加而增加,Ti-6Al-4V合金磨损率却随滑动速率增加呈下降直至稳定的趋势;Ti-46Al-2Cr-2Nb合金的磨损机制主要为疲劳磨损,Ti-6Al-4V合金的磨损机制为塑性变形,犁沟和剥落.     

网纹型表面微结构对Ti-6Al-4V水润滑摩擦学特性的影响

研究了Ti-6Al-4V合金表面网纹型微结构与Si3N4小球对摩时的水润滑摩擦学性能.利用电火花加工技术在Ti-6Al-4V合金表面加工出不同尺寸的网纹结构,运用正交试验设计方法分析了网纹宽度、深度、间宽比和网纹角度对Ti-6Al-4V合金水润滑摩擦学性能的影响.结果表明:具有合适几何参数的网纹结构能够降低摩擦副在水润滑条件下的摩擦系数和磨损量.当网纹角度在45°时,摩擦副的摩擦系数和磨损量能同时降低.网纹宽度对稳态摩擦系数的影响最大,而网纹深度和夹角对摩擦副材料的磨损影响最大.     

高温疲劳表面短裂纹的分形研究

对2.25Cr-1Mo合金钢进行了高温疲劳实验，采用中断试验与复膜技术相结合的方法观测了试样表面疲劳短裂纹萌生，扩展及合体的演化过程，并用数据格子方法研究了含裂纹表面的分形特征。结果表明：疲劳短裂纹的萌生扩展行为具有分形特征，可以用分形理论加以描述；分形维数随着疲劳过程的继续而稳定地成比例增加；分形维数可以作为把握材料总体损伤状态的参数，可作为寿命评价的依据。     

焊接接头超高周疲劳实验研究

本文基于超声疲劳振动技术,设计了三种焊接接头试样(圆形对接焊接试样及其喷丸处理试样和板状十字焊接试样),并利用超声疲劳试验系统测定了其超高周疲劳性能,实验应力比为-1,频率20kHz,实验在室温条件下进行。实验结果表明,圆形对接焊接接头的疲劳性能高于板状十字焊接接头,喷丸处理能提高焊接接头的疲劳强度。将焊接接头的疲劳性能与对应形状的母材进行对比分析,发现焊接接头的疲劳性能远低于母材。在相同疲劳寿命的条件下,圆形焊接接头试件的疲劳强度仅为母材的45%,十字焊接接头试件仅为母材的29%;圆形对接接头在5×106周次以后,试件仍然发生疲劳断裂,而板状十字焊接接头在超高周区域(107～109周次)存在疲劳极限。超声疲劳断口的扫描电子显微镜分析结果显示,圆形焊接接头试件断口位置主要位于熔合区的焊趾处或焊接接头表面几何非连续处,十字接头试件断口位于焊趾处;焊接接头试件裂纹萌生于焊接缺陷、试样表面夹杂或熔合区的不连续处;喷丸处理对焊接接头的裂纹萌生机制没有显著影响。