航空发动机钛合金材料的高周和超高周疲劳性能研究

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10~7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。     

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.      

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

双相钛合金Ti‑6Al‑4V微观缺陷疲劳演化的片层结构分布效应

本文研究疲劳载荷作用下双相钛合金Ti-6Al-4V中片层结构对微观几何缺陷区域演化的影响．基于晶体塑 性有限元(Crystal Plasticity Finite Element, CPFE)理论,建立含微观椭圆缺陷的双相片层代表性体积单元 (Representative Volume Element, RVE)模型,通过调控缺陷附近的微观组织形貌,使缺陷两端分别出现单相结构和 片层结构,以突出双态合金中片层结构分布对微观缺陷演化的影响．模拟结果表明,位于微观缺陷两侧的晶粒, 片层结构的应变敏感性更大,应变沿缺口环向和沿晶内均呈不连贯波动．片层结构通过调节晶内应变,扩大承载 范围,可提高双相钛合金的抗疲劳特性．这一研究结果可为双相钛合金的疲劳裂纹萌生提供一个新的解释途径     

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.     

钛合金TC4材料热处理工艺对圆筒在内爆炸载荷下膨胀半径的影响

对采用两种不同热处理工艺的钛合金TC4材料进行了Hopkinson拉伸实验、圆筒爆炸实验和数值仿真,从而确定了两种不同热处理工艺的优劣并通过微观分析揭示了钛合金TC4材料微观组织结构对内爆炸载荷下圆筒膨胀半径的影响。实验和数值分析表明:采用双重退火热处理工艺的钛合金TC4材料具有良好的动态力学性能。在相同的加载条件下,经此工艺处理的TC4圆筒在爆轰产物未泄漏之前有着充分的膨胀半径,而且也不容易形成绝热剪切破坏。同时,给出的依据高速摄影照片确定筒壳断裂点的方法是切实可行的,获得的断裂时间与数值分析结果吻合。     

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.     

Ti-6Al-4V在高应变率下的动态剪切特性及失效机理

采用基于霍普金森压杆的新型加载技术对Ti-6Al-4V材料的动态剪切特性及失效机理进行了测试研究。获得了Ti-6Al-4V材料在超过104 s-1应变率下的剪应力-剪应变曲线及失效参数。研究发现,材料的流动应力存在明显的应变率强化效应;随着应变率的增加,材料的失效应力逐渐增大,而失效应变逐渐减小。采用ABAQUS/Explicit对加载过程进行了数值模拟。结果显示,剪切区材料基本处于平面剪切状态,应力应变场分布较为均匀,计算得到的剪应力-剪应变曲线与实验结果吻合较好。经断口分析可知,随着应变率的升高,Ti-6Al-4V的失效机理存在由韧窝、拉伸韧窝至台阶及河流花样的演化过程,材料的失效模式主要表现为韧性断裂。     

Simulated microstructure-sensitive extreme value probabilities for high cycle fatigue of duplex Ti-6Al-4V

A newly developed microstructure-sensitive extreme value probabilistic framework to characterize the performance/variability for damage evolution processes is exercised to compare the driving forces for fatigue crack formation (nucleation and early growth) at room temperature for four different microstructure variants of a duplex Ti-6Al-4V alloy. The aforementioned probabilistic framework links certain extreme value fatigue response parameters with microstructure attributes at fatigue critical sites through the use of marked correlation functions. By applying this framework to study the driving forces for fatigue crack formation in these microstructure variants of Ti-6Al-4V, these microstructures can be ranked in terms of relative high cycle fatigue (HCF) performance and the correlated microstructure attributes that have the most influence on the predicted fatigue response can be identified. Nonlocal fatigue indicator parameters (FIPs) based on the cyclic plastic strain averaged over domains on the length scale of the microstructure attributes (e.g., grains, phases) are used to estimate the driving force(s) for fatigue crack formation at the grain scale. By simulating multiple statistical volume elements (SVEs) using crystal plasticity constitutive relations, extreme value distributions of the predicted driving forces for fatigue crack formation are estimated using these FIPs. This strategy of using multiple SVEs contrasts with simulation based on a single representative volume element (RVE), which is often untenably large when considering extreme value responses. The simulations demonstrate that microstructures with smaller relative primary α grain sizes and lower volume fractions of the primary α grains tend to exhibit less variability and smaller magnitudes of the driving forces for fatigue crack formation. The extreme value FIPs are predicted to most likely occur at clusters of primary α grains oriented for easy basal slip. Additionally, surrounding grains/phases with soft orientation shed load to less favorably oriented primary α grains, producing extreme value FIPs.     

Plasticity in polycrystalline fretting fatigue contacts

Plastic deformation at the scale of microstructure plays an important role in fretting fatigue failure of metals under cyclic loading. In this study, crystal viscoplasticity theory with a planar triple slip idealization is employed to represent crystallographic plasticity in two-dimensional fretting analyses of Ti-6Al-4V. Subsurface deformation maps, fretting maps, and shakedown maps are constructed based on application of J₂ plasticity theory for the polycrystalline substrate. Comparisons are then made with polycrystal viscoplasticity simulations, the latter suggesting that plastic ratchetting plays a significant role in the fretting fatigue process.     

孔洞缺陷对3D打印Ti-6Al-4V合金疲劳试样应力分布的影响

3D打印金属技术因其个性化及可用于加工复杂零件等显著优点,在医用骨植入体领域得到了快速发展,但3D打印金属材料的孔洞缺陷所引起的应力集中现象严重降低了其疲劳强度,限制了3D打印生物金属材料的运用。本文针对3D打印Ti-6Al-4V合金超声疲劳试样,分析了Micro CT扫描试样得到的三维图像,获得了试样内孔洞缺陷的数量与体积;选择体积分数占比最大的孔洞,采用有限元方法分析了三种不同孔洞分布形式下的局部应力集中现象。研究发现,因空间位置的不同,独立的孔洞、接近自由表面的孔洞、相邻的孔洞三种不同孔洞的分布情况的应力集中系数差异显著。研究结果在一定程度上解释了目前EBM技术打印Ti-6Al-4V合金的孔洞缺陷如何对材料受力后的局部应力情况产生影响。     

一种基于耗散能计算的高周疲劳参数预测方法

在热力学框架下,基于薄板假设,建立金属材料薄板试样在高周疲劳载荷作用下的热传导方程,将试样温度场数据和实时载荷信号导入,准确计算与高周疲劳损伤相关的单个循环内耗散能. 基于该方法,以316L不锈钢材料为例,通过实时监测试样不同应力水平下高周疲劳破坏全过程中耗散能的变化,拟合出耗散能-疲劳寿命曲线,呈现与传统的应力-疲劳寿命曲线相同的规律;提出一种新的预测高周疲劳极限的能量法,确定的疲劳极限与实验值相近.     

A fretting fatigue crack detection feasibility study using shear wave non-destructive inspection

A study was conducted to assess the viability of using ultrasonic shear wave non-destructive inspection (NDI) methods to detect fatigue cracks nucleating in the vicinity of a contact regionin situ. Use of this method is hampered by the presence of electronic and acoustic noise in the laboratory environment and by the contact in the experimental configuration. A previously established fretting fatigue test fixture was selected, in which nominally flat pads are held in contact against a thin, flat specimen and gross sliding between the pad and specimen is eliminated. Experiments were performed with Ti-6Al-4V at 300 Hz andR=0.5 for average clamping stresses of 200 and 620 MPa, and applied fatigue stresses of 330 and 250 MPa. The shear wave response was monitored during each test, and the test was interrupted when changes in the waveform were thought to indicate a crack. Also, the effect of the contact load and the sensitivity of the technique under the contact conditions were assessed. For the lower clamping stress, a sizeable portion of life was spent nucleating cracks, and the propagation life was too short to allow interruption of the tests. At the higher clamping stress, cracks with surface lengths of ∼2.5 mm were detected on, 10 mm wide specimens in tests conducted using the shear wave NDI technique. While the presence of the contact produced changes in the ultrasonic waveform, additional changes occurred as the crack propagated that permitted crack detection. A simple waveform correlation was used post-test to quantify the waveform changes, and thereby validate the viability of this NDI method for use in contact regions. In the configuration used for this study, the shear wave NDI technique was insensitive to small cracks. Some refinements that could dramatically improve crack detection capability are discussed. The original color figures found in this article can be seen in the online verson of this article, or can be obtained from A. Hutson.