超长寿命热—超声疲劳行为

工作频率在15－30kHz的超声疲劳技术是一种可以获取十亿周级以上超长寿命疲劳数据的可行而有效的方法。试件在高频超声载荷作用下会不可避免地产生摩擦生热。本文在研究球墨铸铁材料的超高周疲劳性能的同时，利用一种非接触红外线自动测温系统对整个实验过程中的试件进行了温度测试，实验表明超长寿命试件的温度变化可由两段组成：①10^7周前的温度徙升及随后的短暂下降；②10^7周后的相对温度平衡稳定。研究还进一步探讨了超长寿命疲劳的温度和频率效应。     

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。     

结构金属材料超高周疲劳破坏行为

受传统试验方法的限制,结构材料的疲劳研究范围常限于107周次以内.然而,过去十年出现了一系列意料之外的破坏事件,尤其是对于认为具有明显疲劳极限的钢铁结构部件.因此,对于不同材料达到1010周次的超高周疲劳行为的研究引起了广泛关注,尤其是近年来成为了热点.本文综述了结构金属材料超高周疲劳的研究现状并介绍了其基本方面.主要内容包括:加速疲劳试验方法的发展与应用、超高周疲劳引起的内部断裂的裂纹萌生机制与扩展特征、S-N曲线的形状特点、疲劳极限存在性及其预测、加载频率和环境及表面状况的影响等.在此基础上提出值得进一步研究的一些方向.     

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.     

扫描显微环境下电流加热试件时的温度控制

如何实现扫描电镜(SEM)腔体内电加热试件的恒温控制,对于金属及合金材料在超高温环境下的微观力学性能的原位测量具有重要意义。本文在MATLAB GUI以及串口通信的基础上,建立了SEM环境中高温电加热系统,提出了一种SEM环境下串口通讯控制样品温度的电流加热控制方法,以及高效、灵敏的反馈函数,设计了友好的软件控制和测量界面,在SEM环境中对不同材料进行了测试,实现了单向拉伸加载条件下电流加热钨丝试件1700℃时与镍基单晶合金试件1000℃时,试件的温度波动分别保持在±3℃与±1℃之内。随后,利用该系统完成了1400℃静态和1200℃单轴拉伸与疲劳实验,系统在此温度时依然可获得高质量的原位扫描显微图像。该实验验证了所提方法对电流加热试件温度控制的有效性,为焦耳热加热实现材料高温力学性能研究,以及研究电加热对材料热性能的影响等关键问题提供了可靠的实验平台。     

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。     

TC4钛合金超高周次轴向振动疲劳试验

应用基于压电超声疲劳试验技术开发的20kHz轴向振动疲劳试验系统,完成了室温下TC4钛合金超高周疲劳试验,获得了TC4合金在107～109周次范围内的轴向振动疲劳寿命曲线(S-N曲线);运用C.Paris推导公式预测了TC4合金材料的寿命,得到各应力水平下破坏率为50％、95％、99％的安全寿命.结果表明:在疲劳循环大于107周次时,试件仍会发生疲劳断裂,疲劳强度随循环次数的增加而下降,并不存在明显的疲劳极限.TC4合金的S-N曲线在107～109周次的范围内呈连续下降型.在轴向振动超高周疲劳试验中,试件的裂纹扩展寿命只占其在50％破坏率下疲劳安全寿命的一小部分,其疲劳寿命主要由试件的裂纹萌生寿命决定.     

超高周疲劳试件尺寸优化设计研究

针对超高周疲劳试件疲劳区长度设计的随意性大、要求不明确等问题,本文通过建立超高周疲劳试件的理论模型,定义了应力放大系数、疲劳区尺寸等关键设计指标参数,探索了各指标参数随试件尺寸的变化规律。结果表明,随着试件疲劳区长度的增加,试件应力放大系数反而减小,应力均匀度降低。这成为制约试件尺寸设计的主要矛盾。为了确定超高周疲劳试件的合理疲劳区长度,本文提出了超高周疲劳试件设计的约束条件和优化指标,实现了超高周疲劳试件的尺寸优化设计,得到疲劳区的合适范围为5mm~10mm。通过本文提出的尺寸优化指标求解出6063铝合金超高周试件疲劳区半长度应取6mm。     

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.     

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.     

新型热作模具钢CH95的高温力学和抗磨性能研究

对比研究了CH95钢与H11钢的高温力学及抗磨性能,分析了2种模具钢的组成和微结构对其高温力学性能和抗磨性能的影响,采用透射电子显微镜观察分析了CH95钢试样中碳化物的形貌．结果表明：CH95钢与H11钢相比具有优异的高温力学性能;其优异的高温力学性能和抗磨性能归因于其特定的微观结构;CH95钢中细小且呈弥散分布的MC、M2C强化相的含量较高,使得其在高温下仍可保持优良的力学性能和抗磨性能;稀土可加速CH95钢表面致密氧化物层的形成,提高其强度、韧性、耐磨性和抗剥离能力;而经离子氮化处理后形成的细小且呈弥散分布的合金氮化物亦可起弥散强化作用,从而使得CH95钢在高温高载荷下的抗磨性能明显优于H11钢．     

等离子喷涂高温自润滑涂层的发展概况

为了满足高新技术发展的需要，研制从常温到８００℃乃至１０００℃都具有良好摩擦学性能的固体润滑材料，是高温固体润滑领域的一个重要研究课题，而开展等离子喷涂高温自润滑涂层的研究，则是达到这个白的有效途径之一。因此，在已有研究工作的基础上，通过文献调查对国内外等离子喷涂高温自润滑涂层的发展概况作了综合介绍与评述，并就其基（连续相）润滑相和耐磨相等进行了比较全面的分析与讨论，结论认为，要加速解决了工程实际     

热冲压模具钢SDCM高温摩擦磨损性能

为了研究新型热冲压模具材料SDCM钢的高温摩擦磨损性能,对比国外优质热作模具材料CR7V钢,利用扫描电子显微镜(SEM),透射电子显微镜(TEM),X射线衍射分析(XRD),UMT-3型高温摩擦磨损试验机以及Bruker白光轮廓仪等手段研究了新型热冲压模具钢SDCM热处理后组织状态、抗氧化性能以及不同温度高温摩擦磨损后磨痕形貌、截面形貌、表面物相.结果表明:不同温度下SDCM钢磨损机制差异明显,100℃时,材料主要为黏着磨损,经过300℃、500℃轻微氧化磨损与黏着磨损共存的阶段后,700℃时,磨损机制转变为氧化磨损;在100~400℃范围内,CR7V由于含有更多的M23C6型和M7C3型碳化物(分别占总碳化物的3.4%和12.7%),因而具有较高的耐磨性;500~700℃范围内,SDCM因具有更高的抗回火软化能力;同时Cr元素含量较少,抗氧化能力较弱,能够及时形成摩擦氧化层,作为"润滑剂",提高材料的耐磨性.     

高温条件下热固性聚酰亚胺摩擦学性能研究

以3,3,4’,4’-联苯四甲酸二酐(s-BPDA)、4,4’-二氨基二苯醚(4,4’-ODA)、3,4’-二氨基二苯醚(3,4’-ODA)、4-苯乙炔苯酐(4-PEPA)为前驱体,设计并制备了热固性聚酰亚胺.采用球盘式高温摩擦磨损试验机进行室温(25℃)、100、200、250、300和350℃条件下的滑动摩擦磨损试验.通过表征不同温度磨损后的材料和对偶表面形貌,研究了其高温条件下的摩擦行为和磨损机制.结果表明:随着环境温度的升高,热固性聚酰亚胺的磨损率呈现先升高,后降低再升高的趋势;而摩擦系数却一直降低.这种趋势归结于聚合物接触表面机械性能的改变.不同温度条件下的磨损机理也是不同的,25和100℃条件下的磨损主要为疲劳磨损和磨粒磨损;随着环境温度升高到200℃时,磨损表面部分链段易于剪切,形成一层均匀的转移膜而降低了磨粒磨损;当温度升高至250、300以及350℃时,磨损表面的分子链段运动更加剧烈,在试验载荷持续挤压下,分子链间作用力破坏而剥落,磨损率急剧升高,表现为黏着磨损,并且环境温度越高,磨损率越大.     

一种改进的金属材料的高温动态拉伸实验技术

在旋转盘冲击拉伸实验装置上,利用金属材料自身的导电特性,对试样施加电流.使其在电流作用下发热,实现自加热,形成了试件快速加热而波导杆温升很小的金属材料的动态高温高应变率拉伸实验技术.应用该实验技术获取了45 #钢从室温到1000℃温度范围和应变率650s-1时的材料动态拉伸应力—应变曲线.实验结果表明,45 #钢具有明显的热软化效应,其流动应力和屈服应力随温度的升高而降低.     

碳化物抗氧化稳定性及其与基体的协同作用对Cr—Ni合金铸铁高温耐磨性的影响

通过改变Cr-Ni合金铸铁中共晶碳化物的抗氧化稳定性,在可控气氛高温磨料磨损试验机上研究了碳化物及其与基体的氧化协同性对合金耐高温磨料磨损能力的影响。结果表明：碳化物的抗氧化稳定性以及碳化物与基体的氧化大无畏同性对合金在大气气氛中的高温耐磨性起着重要的作用。在Cr-Ni合金铸铁中,碳化物在高温氧化气氛中将优先于合金基体发生氧化腐蚀,使合金的耐磨性得到极大损害,因此,使碳化物与合金基体在高温下保持协同的高温稳定性对合金的高温耐磨性非常有利。     

用于测量材料高温动态力学性能的SHPB技术

讨论了高温下分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验的两种方案:单独加热试样并快速对杆与同时加热试样和杆再修正温度梯度的影响。前者避免了杆被加热但是操作复杂,后者简单稳定。为了分析后者温度梯度的影响设计了一个简化模型,采用数值计算进行修正,提出了精度适当的假设,并且进行了实验验证。测量了试件和杆一起加热时杆上的温度分布,证实计算采用的温度分布是合理的。据此得到的专用于材料高温动态力学性能测试的SHPB数据处理公式简单实用,便于推广使用。     

汽车玻璃高温蠕变特性的实验与理论研究

通过对汽车用挡风玻璃进行不同温度、不同应力水平下的单轴拉伸蠕变实验,揭示了其非线性蠕变变形特性.实验发现,不同温度和载荷下的蠕变曲线形状类似,高温(550℃～590℃)下该材料的减速蠕变变形不很明显,主要表现为稳态和加速蠕变变形,且其断裂数据符合Monkman-Grant关系,应力和温度对其影响不显著.基于实验结果,本文建立了非线性高温蠕变本构方程.理论预测与实验数据进行了比较,结果表明所提出的本构方程能较好地描述汽车玻璃高温蠕变变形的全过程.     

SHPB系统高温实验自动组装技术

在进行SHPB系统高温实验时,波导杆常常与试件被同时加温,从而在波导杆中产生温度梯度。为了消除波导杆中温度梯度的影响,有研究人员利用传热学原理来对测量波形进行修正。本文利用一套自动组装装置,实验前对试件加热并自动保温,波导杆则置于加热炉外,实验时进行瞬态组装,由此避免了导杆温度梯度对波形的影响。本文介绍了自动组装原理和过程,比较了在200℃时导杆和试件同时加热,与采用自动组装所产生的透射波形的差异。同时应用ABQUS进行了接触热传导分析,比较了“冷接触时间”在40ms～500ms时试件上的温度分布,计算结果表明:自动组装条件下“冷接触时间”在400ms以内,试件温度不均匀可控制在10%以内。     

激光处理凹坑形仿生非光滑表面试件的高温摩擦磨损特性研究

采用销-盘式摩擦磨损试验机,研究了经激光处理后不同直径和间距的W9Cr4V高速钢凹坑形非光滑试件在不同温度下的摩擦磨损特性.结果表明:在室温至500 ℃的试验条件下,非光滑试件的耐磨性随着温度的升高而降低,且在200 ℃以内非光滑试件的磨损量随着温度增加缓慢增大,当超过200 ℃以后,磨损量增加较快;不同尺寸及分布规律的非光滑凹坑对零件耐磨性的影响不同,在本次试验条件下,非光滑凹坑直径及其间距愈大,非光滑试件的耐磨性能愈好;温度愈高,非光滑试件摩擦系数愈小.