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.     

一种经验型疲劳小裂纹扩展模型

金属材料疲劳寿命由裂纹萌生和裂纹扩展寿命两部分组成,其中对于萌生寿命中的小裂纹分析是精确描述裂纹萌生寿命的关键．而小裂纹在扩展过程中由于尺寸相对较小,导致传统线弹性断裂力学预测方法失效,需要对其进行改进,考虑裂纹尖端塑性区引起的残余压应力对小裂纹扩展速度的影响．本文针对此问题进行了初步分析,通过对塑性区引起的残余应力的量化,结合小裂纹门槛值特性,提出了一种经验型修正的小裂纹扩展模型,用于定量预测裂纹的萌生寿命．使用铝合金6082-T6缺口试样进行了疲劳实验,并与理论结果进行了对比,验证了所提模型的有效性．     

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。     

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。     

斜齿轮疲劳裂纹萌生及扩展过程全寿命研究

文章以斜齿轮为研究对象,综合考虑混合润滑状态下摩擦动力学特性对齿面应力分布的影响以及渗碳表层硬度梯度和残余应力的非均匀分布特征,以风险疲劳累积理论为基础建立了疲劳裂纹萌生寿命预估模型;考虑裂纹在晶粒内部的非线性扩展规律以及晶界处的非连续扩展特征,建立了短裂纹扩展模型;针对长裂纹扩展过程中不同阶段扩展速率的差异,建立了长裂纹扩展速率统一方程,从而完成了对齿轮接触区疲劳裂纹萌生及扩展过程全寿命的预估.计算结果表明:齿面应力分布受动载荷和润滑状态的影响显著;在残余应力作用下,有效剪切应力在渗碳表层出现多个波峰,疲劳裂纹萌生位置多点化,导致裂纹尺度有所不同,疲劳寿命存在差异,失效形式多样化.     

Cr4Mo4V轴承钢滚动接触疲劳和磨损性能研究

通过球棒滚动接触疲劳(RCF)试验机,研究了Cr4Mo4V轴承钢在4050润滑油润滑和0.18滑滚比条件下的滚动接触疲劳和磨损性能.结果表明:Cr4Mo4V钢的应力-寿命(S-N)曲线数据分散性较大,疲劳寿命随着应力增加呈下降趋势.Cr4Mo4V钢滚动接触磨损主要为磨料磨损,黏着磨损和疲劳磨损,随着应力和时间增加磨损体积增加,滚道凹槽深度达到17μm.通过光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)观察试样棒剖面与滚道交界处疲劳裂纹,发现疲劳破坏类型主要有两种:起源于表面的剥落(SOF)和起源于白蚀区的剥落(WSF).通过滚道径向切割抛光酸蚀显示Cr4Mo4V钢滚动接触疲劳影响区,随着应力和循环接触次数的增加,在次表层依次发现黑蚀区(DER)、白蚀区(WEA)和蝴蝶组织(BW).表面碳化物的剥落坑,黏着磨损和疲劳磨损的凹坑导致了表面起裂、白蚀区和蝴蝶组织中的碳化物和夹杂导致微裂纹的产生,链状碳化物使裂纹往深处扩展.     

摩擦系数对钛合金等通道转角挤压影响的有限元分析

以Ti-6Al-4V钛合金高温变形行为研究为基础,建立了等通道转角挤压（ECAE）的三维模型,运用DEFORM-3D有限元分析软件模拟了600 ℃等温条件下不同摩擦系数对Ti-6Al-4V合金ECAE过程中的温度场,等效应力,等效应变以及等效应变率的影响。结果表明：核心高温区以及核心应力区主要集中于转角处;随着摩擦系数增大,核心高温区面积增大,转角入口区的应力也有所增加;点迹跟踪结果表明各点应变均在经过转角处达到最大值,内角点及外角点处的变形较不稳定。     

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.     

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。     

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。

     

含缺口试件疲劳全寿命预测一种建议的方法

传统的研究含缺口构件的疲劳的方法是将疲劳启裂和疲劳裂纹扩展两个过程完全独立起来,用不同的方法来模拟,相互间并没有定量的关系。本文是基于最新发展的多轴疲劳损伤理论,建立了一种适用于各种载荷条件下的疲劳启裂和裂纹扩展的普适方法。根据从弹塑性分析中得到的应力应变,确定疲劳损伤模型,建立能够预测疲劳启裂、裂纹扩展速率和扩展方向的新方法。整个模拟可以分为两步:弹-塑性应力分析得到材料的应力应变分布;再运用一个通用的疲劳准则预测疲劳裂纹启裂和裂纹扩展。通过对1070号钢含缺口试件的疲劳全寿命预测,得到了与实验非常吻合的模拟结果。     

扩展有限元法在结构件疲劳寿命估算中的应用

为了高效、准确估算飞机典型结构件的疲劳扩展寿命,基于通用有限元分析软件ABAQUS的扩展有限元功能计算应力强度因子,采用NASGRO方程计算疲劳裂纹扩展速率。为了避免大量重复提交运算的繁琐过程,应用PYTHON语言开发了在ABAQUS疲劳裂纹扩展分析中反复调用扩展有限元结果和NASGRO方程的子程序,在指定的疲劳裂纹扩展路径上实现了对飞机连接件疲劳裂纹扩展速率与寿命的计算。结果表明,模拟的疲劳裂纹稳定扩展阶段的寿命曲线与实验结果吻合较好,疲劳寿命误差约为10%。     

聚乙烯Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展实验研究

本文采用中密度聚乙烯(MDPE)单边斜切口板状试样,完成了多种条件下的Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展试验。通过对裂尖和裂尖银纹区演化的全程显微测量,获取了各试样疲劳裂纹扩展过程的一致性特征,其过程分为初始银纹区萌生、银纹区转向、裂纹宏观扩展三个阶段。通过计算发现最大周向拉应力准则能精确预测第一阶段初始银纹区的萌生角度。试验表明第二阶段中银纹区发生转向,且第三阶段中裂纹始终沿垂直于外载荷方向的路径扩展,该现象通过银纹机理结合对裂尖奇异场的分析得到了解释,并从断面分析中得到印证。对比不同加载角下试样的裂纹扩展过程,发现裂纹萌生时间随加载角增大显著增长,但裂纹扩展特征一致。     

高应力比循环下微动疲劳裂纹萌生位置的预测分析

对于微动疲劳问题,循环应力比的大小会影响试件应力状态及分布,从而影响疲劳裂纹的萌生位置.本文通过对一类微动疲劳问题进行有限元法分析,模拟疲劳实验过程,并采用最大应力变化幅△σθmax作为指标预测了不同应力比下疲劳裂纹的萌生位置.数值分析显示,在应力比不是很大时,试件与微动接触头的边缘存在接触,并在此处产生较大的应力集中,容易萌生裂纹;而在应力比足够高时,微动接触头端部与试件呈恒张开状态,△σθmax及裂纹萌生发生在距初始接触区边缘一定距离处.疲劳裂纹萌生位置的理论预测结果与相关试验的疲劳裂纹发生位置比较一致.     

残余应力对含裂纹缺陷管道疲劳寿命的影响

针对焊缝区含表面轴向裂纹管道的疲劳寿命问题,探究管道在内压波动下裂纹扩展的规律。建立了焊缝区裂纹仿真模型。采用ABAQUS有限元软件的多层生死单元技术计算了长输管道X80钢的残余应力场。将焊接残余应力场作为裂纹扩展分析的初始应力场导入裂纹仿真模型,结合该软件的扩展有限元法(XFEM)和二次开发计算了在焊接残余应力下裂纹扩展的规律。结果表明:由于焊接残余应力的影响,热影响区含裂纹缺陷的X80管道疲劳寿命明显降低,降低幅度约达40%;裂纹长度对管道的疲劳寿命影响不显著,裂纹深度对其有一定影响,而应力比影响最大,且应力比R=0.1最为显著。     

考虑T-stress的非正态随机参数疲劳裂纹扩展寿命的可靠性分析

基于断裂力学的疲劳裂纹扩展寿命问题的研究常常将裂纹尖端应力展开项的高次项忽略,引起了裂纹扩展模拟的误差,本文考虑高次项T-stress对裂纹扩展角的影响,对裂纹扩展过程做了数值模拟,结果显示相同裂纹扩展长度下,考虑T-stress会延长裂纹扩展寿命。文章首先采用修正的Paris-Erdogan 公式计算了两端承受均布拉伸载荷的边缘斜裂纹板的疲劳裂纹扩展寿命,裂纹扩展方向采用两参数修正的最大拉应力准则。由于结构尺寸,材料特性和载荷等因素具有不确定性,导致疲劳裂纹扩展过程带有一定的随机性,本文以材料属性和载荷为随机变量,在随机有限元法的基础上,结合计算可靠度的四阶矩法,Edgeworth级数展开方法,提出随机参数服从任意分布时的结构疲劳裂纹扩展寿命可靠度的计算方法。分析了参数为非正态分布时的平板裂纹扩展寿命可靠度随裂纹扩展的变化过程。本文方法可预测工程中板裂纹的扩展行为,以及预测裂纹板的可靠度。     

预冷变形对Cu-Ni-Si铜合金疲劳性能和破坏行为影响研究

为了研究预冷变形处理对Cu-Ni-Si铜合金的疲劳性能和破坏行为的影响,对含有预冷变形处理和不含预冷变形处理的Cu-Ni-Si铜合金进行拉伸实验、疲劳实验、裂纹扩展实验等相关实验,并通过扫描电镜对试样疲劳断口进行观察。结果表明,预冷变形处理大幅提高了材料机械强度、降低了材料韧性,同时使疲劳强度降低,其中,107寿命对应疲劳强度下降4.7%。试样的疲劳破坏均萌生自表面的晶体滑移,预冷变形处理的试样在裂纹扩展阶段表现为穿晶破坏,而不含预冷变形处理的试样在裂纹扩展阶段表现为沿晶和穿晶的混合破坏模式。预冷变形处理试样在裂纹稳定扩展阶段,表现为剪切型破坏,而不含预冷变形处理的试样在裂纹萌生后,裂纹转向在最大拉应力面内扩展直到最终的破坏。由上述结果可知,预冷变形改变了Cu-Ni-Si铜合金的疲劳破坏行为,从而影响了其疲劳性能。     

考虑材料循环塑性的疲劳裂纹扩展模拟

提出了一种考虑材料循环塑性性能的研究疲劳裂纹扩展与闭合行为的有限元模拟方法．对所选用的循环塑性本构关系进行了基本实验检验．探讨了在疲劳裂纹扩展有限元分析中网格尺寸的影响，给出了网格优化准则．研究了在循环硬化条件下考虑裂纹合效应时裂纹面张开廓形、裂纹尖端应力、应变场和正反向塑性区的演变规律．对于循环硬化和不同循环应力比Ｒ等因素对裂纹张开应力水平的影响也作了考察     

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。