圆弧形榫连结构低循环疲劳试验与寿命分析

针对大涵道比涡扇发动机采用的圆弧形燕尾榫连结构,设计了缩尺的双榫头疲劳试验件及其试验夹具。开展了不同载荷水平下的低循环疲劳试验,并对比了表面强化对试验件疲劳特性的影响,给出了可初步用于设计的疲劳寿命S-N曲线。研究表明:圆弧形燕尾榫头试件的疲劳失效形式为微动磨损导致的疲劳断裂;相同疲劳载荷水平下,表面强化试验件的疲劳寿命比未强化试验件的高40%~65%;不同载荷水平下的试验结果基本符合Miner累积损伤准则。     

圆弧形榫连结构低循环疲劳试验与寿命分析北大核心

针对大涵道比涡扇发动机采用的圆弧形燕尾榫连结构,设计了缩尺的双榫头疲劳试验件及其试验夹具。开展了不同载荷水平下的低循环疲劳试验,并对比了表面强化对试验件疲劳特性的影响,给出了可初步用于设计的疲劳寿命S-N曲线。研究表明：圆弧形燕尾榫头试件的疲劳失效形式为微动磨损导致的疲劳断裂;相同疲劳载荷水平下,表面强化试验件的疲劳寿命比未强化试验件的高40%～65%;不同载荷水平下的试验结果基本符合Miner累积损伤准则。     

液体喷丸

我厂生产的航空发动机叶片要求采用液体喷丸强化工艺。在缺乏参考资料的情况下,遵照毛主席“独立自主、自力更生”的方针,组成了三结合小组,在六二一所的帮助下,进行了液体喷丸试验,北自行设计、制造了PW—2液体喷丸机,经过调试和工艺试验,性能达到了预定要求,自一九七五年八月正式投产以来,运行正常。液体喷丸是将玻璃丸与水混合一同喷向零件的一种表面强化工艺。它用来提高被喷零件的疲劳寿命。液体喷丸的主要优点是可获得较好的劳动条件,而不象干喷那样有粉尘容易损     

表面再结晶层对DZA定向凝固合金低周疲劳性能影响

针对DZ4定向凝固合金表面再结晶层对材料性能的影响进行了低周疲劳实验研究,并通过岛津SEM伺服疲劳试验机进行表面裂纹实时观察跟踪.研究结果表明,表面再结晶层的存在对材料性能明显产生负面作用,低周疲劳寿命大大降低.不同喷丸强度试件在相同的高温退火条件下形成的再结晶具有不同的再结晶形态,高喷丸强度再结晶更加完全,晶界清晰平直,晶粒有长大的趋势.表层再结晶形态也对疲劳寿命的降低程度以及疲劳微裂纹萌生寿命和裂纹密度有较大的影响.较高喷丸强度形成的再结晶层的试件疲劳寿命降低较少,表面微裂纹萌生较晚,裂纹密度也很低.低喷丸强度试件表面微裂纹大量萌生,密度非常高.再结晶层的晶界开裂是导致表面微裂纹大量萌生的根源,从而导致疲劳寿命大幅度降低.     

薄壁结构双侧异步激光喷丸强化试验研究

航空发动机压气机叶片是典型薄壁结构,通过激光喷丸强化在叶缘引入残余压应力,是提高其抗异物撞击能力,延长疲劳寿命的有效途径。为解决双侧同步强化方法存在的材料层裂损伤风险的问题,提出薄壁结构双侧异步激光喷丸强化方法。试验研究发现:单侧薄壁激光喷丸试验中,光斑功率密度的改变会使薄壁结构相对于激光入射方向呈现"∧"或"∨"两种扭曲变形趋势;另一面采用同样参数进行激光喷丸后,扭曲变形会恢复;合理采用激光喷丸参数,双侧异步激光喷丸强化与同步强化相似,可以在两侧表面均得到残余压应力场,并且扭曲变形能满足形状精度要求。     

海洋环境与疲劳载荷联合作用下喷丸超高强度钢损伤机制

舰载机起落架结构既要遭受海洋大气、海上盐雾和海浪飞溅等严酷海洋环境的侵蚀作用,又要承受较大的弹射起飞/拦阻着舰载荷,在海洋环境与疲劳载荷联合作用下超高强度钢起落架结构承载能力显著劣化,对使用安全构成严重挑战。针对超高强度钢喷丸和未喷丸两种试验件,基于舰载机服役的海洋环境,开展了腐蚀+疲劳交替试验和预腐蚀疲劳试验研究,得到了疲劳寿命变化规律,通过粗糙度、晶粒度、显微硬度、残余应力和疲劳断口分析,揭示了喷丸对疲劳寿命增强的作用机制、腐蚀+疲劳损伤交替作用机制和预腐蚀疲劳损伤作用机制。结果表明,喷丸强化后疲劳寿命平均增幅为93.1%;对于喷丸试验件,深度约为20 μm的轻微点蚀,导致疲劳寿命衰减幅度达到30%;喷丸强化与腐蚀两者之间存在着此消彼长的竞争机制;腐蚀+疲劳交替作用损伤机制对该型超高强度钢造成的疲劳寿命衰减要比预腐蚀疲劳损伤机制严重得多,加速腐蚀试验时间相同的条件下前者疲劳寿命为后者的47%~54%。     

表面强化对壳体结构残余应力影响规律研究

设计、制造了具有真实零部件几何特征的试件并利用湿喷工艺进行表面强化,试验件一侧表面受强化,背侧表面不受强化。应变数据及分析表明,试验件背侧处于压应力状态,具有纵向加强筋的壳体背侧压应力低于无加强筋结构,横向约束及刚性影响加强筋壳体背侧残余应力状态,降低喷丸强度及增加壳体厚度可以降低背侧残余应力。研究成果对优化表面强化工艺以及壳体结构设计具有重要借鉴意义。     

粉末合金FGH95喷丸强化对高温缺口疲劳性能的影响

为提高粉末合金材料轮盘应力集中结构的缺口疲劳性能,采用铸钢弹丸、陶瓷弹丸和复合喷丸的方法对粉末合金缺口旋转弯曲疲劳试样进行喷丸强化,通过白光干涉表面形貌分析、配合电化学腐蚀的X射线衍射残余应力场分析、显微硬度梯度研究评价喷丸强化层状态;采用高温旋转弯曲缺口(结构应力集中系数Kt=1.7)疲劳寿命进行对比分析。结果表明,喷丸强化在FGH95合金表面形成强化层:表面粗糙度Ra=0.9～1.5μm,Kurtosis值R_(ku)接近3的表面轮廓;表面压应力在–800～–1150MPa,压应力场深度达到120～250μm;相比于基体硬度的480～510HV_(0.2),喷丸后表面硬度上升到575～625HV_(0.2),硬化层深度达到175～250μm。采用首次喷铸钢丸大强度、第二次喷陶瓷丸小强度的二次喷丸工艺方法时,表层残余压应力场数值大,表面硬化程度高且硬化层深度大,表面粗糙度较小且弹坑底部圆滑,疲劳强化效果最佳,550MPa/650℃中值疲劳寿命估计量较原始提高20倍以上。     

喷丸强化对TC17钛合金表面完整性及疲劳寿命的影响

研究了喷丸强化对TC17钛合金表面完整性及疲劳寿命的影响。采用表面粗糙度仪、扫描电子显微镜、X射线残余应力测试仪、显微硬度计等分析了弹丸种类和喷丸强度对表面粗糙度、残余应力场、显微硬度场和微观组织的影响;在旋转弯曲疲劳试验机上测试了喷丸强化后的疲劳寿命,探讨了表面完整性与疲劳寿命的内在联系及作用机制。结果表明:喷丸强化后TC17钛合金表面粗糙度为0.5~1.0μm,残余压应力层为100μm左右,最大残余压应力位于表面下30μm处,表面出现加工硬化,晶粒发生了压缩变形;与未喷丸试样相比,玻璃丸对疲劳寿命的提升幅度最大,陶瓷丸次之,铸钢丸最小。喷丸强化提高疲劳寿命的机制归结于引入较深的残余应力层、较高的表面硬化程度和表层晶粒的细化。     

不同喷丸强度对TC17钛合金抗疲劳性能影响

为提升TC17钛合金抗疲劳性能,对其表面进行喷丸处理。通过旋转弯曲疲劳试验、断口分析、残余应力场分析、表层组织分析及喷丸前、后钛合金表面完整性分析等手段,开展不同喷丸强度对TC17钛合金抗疲劳性能影响研究。结果表明：喷丸强化后钛合金表面粗糙度增大,由0.315μm变为0.5～1.0μm;表层发生塑性变形,晶粒发生细化;表面引入残余压应力,残余压应力层深约为125～151μm,最大残余压应力位于层深30μm附近处。0.3 mm·N喷丸状态旋转弯曲试样疲劳寿命优于其他状态试样,在740 MPa和840 MPa应力水平下,分别比未喷丸状态试样疲劳寿命提升4.5倍与7.5倍。疲劳寿命提升归因于试样表层晶粒细化、高密度位错组织及残余压应力对疲劳裂纹萌生与扩展的抑制作用。0.35 mm·N与0.4 mm·N喷丸状态试样疲劳寿命下降与喷丸强度过大时试样表面粗糙度高,并有脱层及微裂纹生成有关。     

制孔工艺对开孔试件疲劳寿命影响的定量分析

为了研究开孔试件的制孔工艺对结构疲劳寿命的影响,对采用winslow制孔工艺和传统制孔工艺的铝合金试验件分别进行疲劳试验。结果表明:Winslow制孔工艺下试件疲劳性能明显增强,平均疲劳寿命是传统制孔件的1.7倍。用统计学方法对实验数据进行分析,发现在95%的置信度下,Winslow制孔工艺中值疲劳寿命是传统制孔工艺中值疲劳寿命的1.3-2.07倍。     

喷丸对TC9钛合金表面层质量的影响

喷丸强化工艺是保证钛合金零件获得良好表面层质量的一种重要手段。由于这种工艺的适应性强、使用方便、方法可靠、强化效果佳,并且成本低廉,所以,目前在工业生产中得到了越来越多的应用。 试验是在TC9钛合金的拉削表面上进行喷丸。采用液压湿喷,弹丸为直径d=0.5～0.8mm的生铁丸,然后对喷丸及未喷丸的试件做冷作硬化、残余应力及疲劳强度的对比性试验,最终评价喷丸对钛合金表面层质量的影响。     

2024铝合金预拉伸板喷丸强化前后疲劳寿命的分布及可靠度模型研究

为了研究喷丸强化对2024铝合金预拉伸板疲劳特性的影响以及喷丸强化前后疲劳寿命的数学分布及可靠度模型,对铸钢丸喷丸强化前后的2024铝合金预拉伸板进行疲劳对比试验。结果表明:喷丸强化能明显提高2024铝合金预拉伸板的疲劳寿命。对喷丸强化前后的疲劳寿命分布进行拟合优度检验发现:喷丸强化前疲劳寿命服从威布尔分布,而喷丸强化后的疲劳寿命服从对数正态分布。建立了2024铝合金预拉伸板喷丸强化前后疲劳寿命的分布模型和可靠度模型。     

超声喷丸与传统喷丸对TC4 钛合金残余应力影响的仿真分析

为了预测喷丸TC4钛合金试件的残余压应力层深度及值的分布和冲击面凹坑的直径、深度特征曲线及表面形貌的变化,采用ABAQUS/Explicit软件建立2个3D模型。通过超声喷丸与传统喷丸2种工艺过程数值仿真对比了表面残余应力场差异,分析了TC4钛合金弹丸直径、速度和冲击次数等喷丸参数对残余应力分布的影响。结果表明:当动能相同时,2种强化过程表面所产生的残余压应力是可比较的,超声喷丸模型亚表层残余应力深度为0.16 mm,约为传统喷丸模型深度的2倍;传统喷丸产生的残余压应力最大值约-800 MPa,约为超声喷丸的1.6倍。与传统喷丸相比,超声喷丸具有较低的表面粗糙度以及较深的残余压应力层。残余压应力层深度与弹丸直径呈正相关,但过大的弹丸尺寸会引起薄壁件另一侧残余拉应力区域的增大。     

新型铝锂合金AA2198高频疲劳红外热耗散演化规律

利用红外成像技术开展新型铝锂合金AA2198高频疲劳（100 Hz）热耗散演化规律研究,发现不同应力条件下疲劳热耗散呈现上下波动特征,试件平均温度随着加载应力的提升有增加的趋势,但升温现象并不明显,不同应力条件下温度变化幅值小于1℃。疲劳试验初期和疲劳断裂时伴随着急剧升温过程,提出的能量转化理论模型合理解释了疲劳热耗散演化过程。研究还发现,喷丸强化在试件表面形成的残余压应力有助于激发疲劳裂纹的闭合效应,对试件的升温过程具有抑制作用。     

表面完整性对Ti6Al4V钛合金疲劳性能的影响

研究了Ti6Al4V钛合金表面喷丸强化及光饰处理后表面粗糙度、表面残余应力和表面层微观组织结构等表面完整性因素的变化及其对高周疲劳性能的影响。结果表明,Ti6Al4V钛合金对表面粗糙度和表面残余应力比较敏感,经喷丸强度为0.10~0.20mmA的强化后,受喷表面的残余压应力和粗糙度持续提高,Ti6Al4V钛合金的疲劳寿命增加值先升高后降低;后续光饰处理使强化后的材料表面粗糙度显著降低,促进了疲劳寿命进一步提高。表面完整性影响因素的平衡与协调对Ti6Al4V钛合金疲劳性能的提高有着非常重要的影响。     

基于铣抛喷组合工艺的TB6钛合金精铣参数优化

TB6钛合金是航空制造领域承重结构件的重要材料,属于典型难加工材料。开展了TB6钛合金铣抛喷组合工艺试验,研究了不同铣削参数对表面完整性的影响及精铣与喷丸工序间的耦合关系。结果表明,试件表面粗糙度主要受铣削每齿进给量fz影响。fz0.2mm/z时,组合工艺加工后,试件表面粗糙度值Ra较低;fz0.2mm/z时,随精铣fz提高,铣削硬化率下降,喷丸后的表面粗糙度提高;铣喷组合工艺条件下,铣削线速度vs在20~40m/min范围内,硬化率随vs的升高而降低,喷丸区域表面粗糙度升高;vs在40~50m/min范围内,铣削硬化率升高,喷丸区域表面粗糙度降低。切宽ae对试件硬化和表面粗糙度的影响不显著。铣喷组合工艺条件下的精铣参数优化结果为:vs=50m/min,fz=0.2mm/z,ae=1.0mm。铣抛喷组合工艺条件下,可在低于0.4mm/z范围内适当提高铣削每齿进给量fz。     

湿喷丸处理Ti-6Al-4V合金微动磨损行为影响

采用湿喷丸技术对Ti-6Al-4V合金进行表面强化处理,研究了部分滑移、混合滑移和完全滑移等不同状态下钛合金样品的微动磨损行为,从微动状态角度探讨喷丸强化对钛合金微动磨损行为的影响规律。试验结果显示,喷丸处理对于完全滑移状态下Ti-6Al-4V合金的微动磨损行为影响较小;而在混合滑移状态时,喷丸处理使得微动磨痕的塑性变形积累区消失,有效抑制局部疲劳损伤造成的微裂纹萌生。这是因为喷丸引入加工硬化作用使材料表层局部强度提高,进而改善局部疲劳损伤。     

喷丸强化7475-T7351铝合金的小裂纹行为和寿命预测

对7475-T7351铝合金进行了喷丸强化和未喷丸(机械加工后抛光)单边缺口拉伸(SENT)试样的小裂纹扩展行为试验研究,利用权函数法(WFM)和叠加原理分析计算了三维表面小裂纹在外加载荷和残余应力场联合作用下的应力强度因子(SIF),并将其加入到基于裂纹闭合的小裂纹扩展分析程序FASTRAN3.9中,采用该程序预测了均布外载荷σmax=160MPa、R=0.06下,喷丸强化和未喷丸SENT试样自然萌生裂纹扩展的a-N曲线。研究发现喷丸强化残余压应力对疲劳小裂纹扩展速率的降低是疲劳寿命延长最主要的原因,采用基于裂纹闭合的小裂纹扩展分析方法能够较好地定量描述喷丸强化的疲劳延寿作用。     

40CrNi2Si2MoVA钢机械加工与喷丸试样旋转弯曲疲劳寿命的预测方法

为了预测机械加工及喷丸强化后40CrNi2Si2MoVA钢试样在室温下的旋转弯曲疲劳寿命,结合商用有限元软件ABAQUS和疲劳寿命分析软件FE-SAFE对不同数值计算方法的适用性及准确性进行比较,提出了喷丸强化40CrNi2Si2MoVA钢的寿命预测经验公式。结果表明:对于机械加工试样,选择"Brown-Miller"算法和表面残余应力用于计算可获得比较准确的预测结果;对于喷丸强化试样,高应力水平下也可选用"Brown-Miller"算法及表面残余应力,而低应力水平下则应改用"Stress-based Brown Miller"算法及最大残余应力。基于上述两种方法提出的经验公式:σmax=–64.378·lgN+1449.268,可改善40CrNi2Si2MoVA钢喷丸强化试样疲劳寿命预测的准确性。