总应变寿命方程中疲劳参数的确定和寿命预测

总结分析了多种寿命预测方法,给出了总应变寿命方程的4个材料参数:疲劳强度系数、疲劳延性系数、疲劳强度指数和疲劳延性指数的表达形式,从而提出了一种新的具有很好物理意义、工程意义和普适性的总应变寿命方程,并以6种典型的航空材料光滑试样(TC4(室温)、TC11(室温)、TC11(500℃)、GH901(300℃)、GH901(500℃)和GH4133B(600℃))的对称循环疲劳数据进行验证,获得了很好的疲劳寿命预测结果,其寿命预测结果大都在2倍分散带以内。对比分析了多种寿命预测方法所确定的4个疲劳参数,并且分析了5种断裂真应力表达形式所确定的疲劳强度系数,发现所提出确定断裂真应力的方法获得了较好的精度,与试验值相比,不超过其误差的15%,并且准确确定断裂真应力将会显著提高对中高寿命段的寿命预测精度。      

确定总应变寿命方程中指数的一种方法

在由材料的单调拉伸强度极限和断面收缩率确定总应变寿命方程中疲劳强度系数和疲劳延性系数的基础上，考查了利用材料在两个不同应力幅下的疲劳试验数据和单调拉伸延伸率来确定总应变寿命方程中疲劳强度指数和疲劳延性指数的一种方法，给出了只需较少的疲劳试验数据和单调拉伸力学性能参数即可确定材料的总应变寿命方程中全部4个参数的分析流程，并利用航空发动机中常用的钛合金和镍基合金材料的疲劳试验数据对该方法进行了验证，结果表明该方法所确定的总应变寿命方程对所考查的材料大多数情形的疲劳寿命预测结果较为理想，基本在3倍分散带以内.      

涡轮盘低循环疲劳寿命预测方法与流程

发展了一种涡轮盘低循环疲劳寿命预测方法及流程,其重点在于材料疲劳参数的确定、考虑多重影响因素的疲劳寿命预测方法,及涡轮盘结构的寿命预测,并以GH901合金涡轮盘为例进行了分析。结果表明:所发展的寿命预测方法及流程,可保证材料疲劳参数,同时具有明确的物理意义和良好的数值准确性;采用考虑梯度影响的疲劳寿命预测方法,在较少试验和计算量的基础上,考虑平均应力、应力梯度和尺寸效应的影响,对GH901合金缺口试样和实际涡轮盘试验件的疲劳寿命预测均较为理想,在2倍分散带以内。     

基于临界面-损伤参量法的高压涡轮盘多轴疲劳寿命预测

基于临界面法对某高压涡轮（HPT）盘及GH4169合金试样进行多轴疲劳寿命预测,得出SWT（Smith-Watson-Topper）模型对单轴疲劳具有较好的预测效果而对多轴疲劳的预测效果较差,Fatemi-Socie （FS）模型也能较好地预测单轴加载下的疲劳寿命,但FS模型仅考虑最大剪应变幅平面上的正应力对疲劳损伤的影响,导致其多轴疲劳寿命预测偏保守。基于此,本文以最大剪应变幅为主要损伤控制参数,同时以最大剪应变幅平面上的正应力和正应变组成的修正参数作为多轴疲劳损伤的第二控制参数,提出了一个新的多轴疲劳临界面-损伤参量模型。结合GH4169合金及某高压涡轮盘试验验证。结果表明,对比SWT、FS和Wang-Brown （WB）模型,新模型的多轴疲劳寿命预测精度更高。     

基于损伤力学的GH4169合金低循环裂纹萌生寿命预测

为了更准确地预估高温材料的低循环疲劳裂纹萌生寿命,将低循环疲劳的裂纹萌生过程视作损伤累积过程,基于连续损伤力学建立了损伤累积模型.结合360 ℃、650 ℃下GH4169合金的低循环疲劳寿命数据拟合出模型的具体表达式,进而开展了对低循环疲劳裂纹萌生寿命的预测试验.结果表明:该方法针对GH4169合金低循环疲劳裂纹萌生寿命的预测结果较为理想,其分散带基本在2倍以内,且能很好的反映变幅加载对GH4169合金低循环疲劳裂纹萌生寿命的影响.     

GH3044的高温低周疲劳性能研究

研究了镍基高温合金GH3044在600℃下的低周疲劳性能,分析了合金的循环应力-应变和应变-寿命关系,利用Manson-Coffin方程、三参数幂函数方程和拉伸滞后能模型对寿命数据进行回归分析。结果表明,合金的循环应力响应行为在600℃时,呈现明显的循环硬化特征,原因在于循环变形过程中位错之间以及位错与析出相之间的相互作用;从试样的疲劳断口形貌发现,裂纹主要萌生于试样表面处,裂纹形成后垂直于加载轴方向扩展,断口呈韧窝断裂特征;在合金的低周疲劳寿命预测研究中发现,拉伸滞后能模型的寿命预测结果无论从标准差,还是分散带方面比较都比Manson-Coffin方程、三参数幂函数方程的预测精度好。     

GH4169合金蠕变疲劳行为的有限元模拟及寿命预测

考虑蠕变-疲劳损伤,对部件材料进行合理的循环变形描述和准确的寿命预测,是保证航空发动机等高温设备长周期安全运行需要解决的关键问题之一。基于大型有限元软件ABAQUS,采用组合Chaboche随动强化准则和Voce各向同性硬化准则的循环弹塑性本构模型,叠加应变强化的蠕变本构模型,对GH4169合金在蠕变-疲劳载荷下伴有应力松弛的循环变形行为进行了准确的有限元模拟。同时,将Wang等最新修正的基于逐周次概念的蠕变-疲劳损伤模型进行了有限元移植,结合有限元模拟所得的循环应力、应变状态,实现了对GH4169合金蠕变-疲劳寿命的准确预测。研究结果将为进一步实现对航空发动机关键部件精确的寿命预测提供理论基础和技术手段。     

考虑几何特征与载荷敏感性的航空发动机结构件疲劳寿命预测模型

为了分析几何特征和载荷因素对几何复杂结构疲劳寿命预测的影响,给出了结构损伤区的定义方法,通过引入几何特征因子和疲劳权函数表征几何特征对疲劳寿命的影响,定义了载荷敏感性因数表征载荷因素对疲劳寿命的影响,以临界距离理论为基础,结合有限元分析、Origin函数拟合及Matlab程序等多种工具,发展了一种考虑结构几何特征与载荷敏感性的缺口疲劳寿命预测模型,并将该模型用于TC4、GH901和DZ125合金的缺口试样低循环疲劳寿命预测,结果表明:对于不同几何特征、不同载荷大小和不同材料等多种情况,寿命的预测值与试验值基本在2倍分散带之内,预测精度较为理想且高于多种现有其他方法,验证了该预测模型具有可行性和优越性。     

基于临界距离理论的TC4合金缺口试样 低循环疲劳寿命预测

对TC4合金缺口试样的临界距离和低循环疲劳寿命分别进行了分析和预测.研究了缺口临界距离与疲劳寿命、载荷比、应力集中系数的相关关系及其对寿命预测结果的影响.研究结果表明:TC4合金缺口试样的临界距离不仅与疲劳寿命有关,还与载荷比和应力集中系数相关.载荷比相同时,临界距离与疲劳寿命之间可采用幂函数经验公式来描述.载荷比为-1和0.1时,TC4合金缺口试样的临界距离-疲劳寿命曲线基本重合,当载荷比增大为0.5时,临界距离明显增大.载荷比和疲劳寿命相同时,临界距离与应力集中系数近似成反比关系.寿命预测结果表明:采用临界距离理论预测TC4合金缺口疲劳寿命时,要获得更准确的疲劳寿命预测结果,应同时考虑临界距离与疲劳寿命、载荷比以及应力集中系数等因素的相关性.      

高温低周应变疲劳的三参数幂函数能量方法研究

 对Manson-Coffin方程、拉伸滞后能寿命模型和三参数幂函数公式进行了应用研究，提出了三参数幂函数能量方法，并用某高温合金900  ℃低周疲劳数据进行了验证研究。通过寿命预测分散带和标准差的比较发现：三参数幂函数能量方法的低周疲劳寿命预测能力较Manson-Coffin方程和三参数幂函数公式的寿命预测能力有较大的提高；用三参数幂函数能量方法确定的循环应力-应变曲线比用Manson-Coffin方程处理得到的塑性应变分量确定的循环应力-应变曲线更能反映低周疲劳过程中应力和应变之间的关系。     

考虑应力比修正的应力梯度影响指数计算方法

基于考虑应力梯度的寿命预测模型,深入研究了不同应力比对应力梯度影响指数的影响。通过引入新的参数,对模型进行修正,并以典型合金的试验数据为基础,进行寿命预测并考核计算精度。结果表明:修正后的模型能够更合理地考虑局部应力比对应力梯度影响指数的影响,寿命预测结果相比于修正前更接近试验值,对TC4(200 ℃)、GH4169(500、650 ℃)缺口试件的疲劳寿命预测结果多在2.0倍分散带以内,部分数据的预测结果可在1.5倍分散带以内。      

TC4钛合金电子束焊接接头中值疲劳寿命研究

研究了TC4钛合金母材及2种不同焊接工艺电子束焊接接头的拉伸性能和疲劳性能,测试了同一应力水平下的疲劳寿命.疲劳测试试验结果表明:与母材相比,TC4钛合金电子束焊接后拉伸性能提高,延伸率降低.     

预应变对GH4169 合金低周疲劳行为的影响

为了研究发动机构件在实际工作中受到的轴向拉应力作用下疲劳行为的变化,开展了发动机常用材料GH4169合金在拉伸预应变条件下的低周疲劳行为的研究,得出疲劳寿命随预应变增加的变化规律。从宏观和微观2方面分析预变形对材料低周疲劳行为影响的变形机制。最终为解决实际工程中构件断裂等问题提供技术支持,同时也为评估航空发动机构件在产生预变形条件下的寿命,确保安全使用提供技术支撑。结果表明:随着预应变量的增加低周疲劳寿命降低,组织内位错密度、孪晶数量均增加,裂纹扩展长度减小。     

一种TiAl合金高温低循环疲劳性能及失效机理

通过对TiAl合金进行总应变范围控制的高温(750℃)低循环疲劳实验,研究双态(Duplex,DP)和全片层(Fully Lamellar,FL)组织形态对TiAl合金低循环疲劳性能和寿命的影响,并采用总应变幅-寿命方程对两类组态TiAl合金低循环疲劳寿命进行预测。结果表明:在相同温度和应变条件下,DP组态TiAl合金稳态迟滞回线对应的平均应力明显低于FL组态TiAl合金稳态迟滞回线对应的平均应力;采用总应变幅-疲劳寿命方程能够准确预测两种组态TiAl合金在750℃下的疲劳寿命,预测寿命基本位于试验寿命的±2倍分散带以内;另外,DP组态TiAl合金的疲劳源区位于试样的近心部,而FL组态TiAl合金的疲劳源区位于试样的次表面,两类组态TiAl合金的高温疲劳失效机理存在明显差异。     

拉伸塑性对TC11 500℃低循环应变疲劳的影响

 测定了TC11合金经不同制度热处理后试样的500℃低循环应变疲劳的△ε_t～N_f曲线,在不同的△ε_t值条件下,拟合出N_f与φ、δ_5之间的经验关系式。结果指出:强度相近时,合金的塑性越低,其500℃时的N_f越低;虽然魏氏组织500℃的N_f一般低于等轴组织,但若魏氏组织中的片状α或束域比较细小时,其500℃N_f值可明显提高,并与等轴组织的差别缩小。     

A new fatigue life prediction model considering the creep-fatigue interaction effect based on the Walker total strain equation

The performance of high-temperature components of aero-engines under the Creep-Fatigue Interaction (CFI) behavior gets more attention recently. In this research, the creep-fatigue tests of two superalloys of Powder Metallurgy (PM) FGH96 and direct aging GH4169 were performed at 650 °C with different types of dwell, and the fracture morphology of FGH96 specimens was observed by Scanning Electron Microscopy (SEM) to analyze the creep-fatigue fracture feature and crack initiation. Additionally, according to phenomenology, the effect of dwell was introduced to develop a new uniaxial fatigue life prediction model based on the total strain equation, which has capability to take dwell time and load ratio into account together. The equations were utilized to model the test data of PM FGH96 and GH4169, together with data of another superalloy PM FGH95 conducted previously. A prominent prediction ability of the model in creep-fatigue life prediction of different superalloys has been manifested. Most data points of test data and estimated data are located within two times scatter band, which is ideal in engineering.     

GH4169合金近等温锻造

对GH4169合金进行近等温锻造试验,结果表明:近等温锻造GH4169合金微观组织和拉伸性能对温度场敏感高,对变形量和应变速率不敏感,有利于GH4169合金近等温加工成形.