孔挤压强化对FGH95合金室温及高温疲劳性能的影响

孔是一种典型的应力集中结构。本文研究了芯棒直接冷挤压对FGH95合金试样中心孔的高、低温疲劳寿命的影响规律,并采用扫描电镜、粗糙度仪、X射线应力测量仪及显微硬度计等仪器分析了疲劳断口和孔壁表面完整性主要参数,探讨了FGH95合金孔挤压强化机制。结果表明:相比未挤压试样,孔挤压试样在室温、650MPa的中值疲劳寿命提高了0.9倍以上,而527℃、575MPa的中值疲劳寿命提高了10.3倍以上。分析表明,孔壁经冷挤压后,孔壁表面粗糙度大幅下降,孔壁沿径向形成了一定深度的残余压应力层和组织硬化层,对中心孔试样的室温、高温疲劳寿命的提升具有重要作用。另外,晶界的存在和相邻晶粒的晶体学取向差异会对疲劳裂纹扩展路径产生显著的影响。     

冷挤压强化对GH4169合金孔结构室温低循环疲劳寿命影响

对GH4169合金中心孔板材试样进行冷挤压强化,测试了挤压前后GH4169中心孔板材试样在663 MPa/20℃条件下的低循环疲劳寿命;分别采用扫描电镜、X射线衍射残余应力仪、表面轮廓仪分析了疲劳断口、疲劳过程中残余应力场的演化以及表面形貌。结果表明:冷挤压强化后孔结构的疲劳寿命提高为原始试样的2.6倍。冷挤压强化对孔壁的强化效果使得冷挤压试样疲劳源萌生于倒角处单源,而原始试样萌生于孔壁多源。经过50000周次疲劳实验,冷挤压强化残余压应力有所松弛,但进口端与出口端的表面残余应力分别保持了55%和75%。冷挤压后孔壁表面粗糙度R_a由0.354μm减小到0.297μm。     

孔挤压强化对超高强7055-T7751厚板组织性能的影响

采用挤压棒直接冷挤压的方法,对比分析了超高强7055-T7751铝合金厚板带孔试样孔挤压前后的疲劳寿命;通过透射电镜观察、扫描电镜观察以及X射线应力分析等方法,研究了7055-T7751厚板带孔试样的疲劳断口形貌特征、微观组织变化以及孔壁表层的残余应力场。结果表明,采用3%~5%的挤压量对7055-T7751厚板进行孔挤压强化可取得较好的疲劳强化效果,试件的疲劳寿命提高了33倍以上;孔挤压后的强化层深度约为7mm,最大残余应力出现在距孔边约0.5mm处,应力值为-554MPa。强化层内形成的位错胞状结构和残余压应力可有效延缓疲劳裂纹的扩展速率,从而提高试件的疲劳寿命。     

孔挤压强化工艺参数对GH4169高温合金疲劳寿命影响分析

为探究孔挤压强化工艺参数对镍基高温合金GH4169低周疲劳寿命的影响规律,首先建立了经试验验证的孔挤压强化后GH4169带孔平板低周疲劳寿命模型,在此基础上研究了600℃、820MPa、应力比0.1条件下挤压量、前导角、后导角、摩擦因数、芯棒材料等典型工艺参数对孔挤压强化后疲劳寿命的影响规律。结果表明：提高挤压量能明显提升疲劳寿命,但过大的挤压量会导致疲劳寿命下降;增加前导角有助于改善挤入面疲劳寿命;后导角对疲劳寿命没有影响;摩擦因数的提高会对孔挤压强化效益产生负面影响;芯棒材料的屈服强度应大于被挤压材料。     

DD6镍基单晶合金气膜孔薄壁平板高温蠕变性能

采用气膜孔薄壁平板试样模拟冷却叶片,并与无气膜孔薄壁平板试样蠕变试验结果进行对比,研究了气膜孔对镍基单晶合金冷却叶片模拟试样高温持久断裂寿命的影响.试验结果表明:在950℃和377MPa条件下,无气膜孔薄壁平板试样的高温持久断裂寿命大约是气膜孔薄壁平板试样的2倍,扫描电镜(SEM)断口分析可以看出蠕变损伤首先发源于气膜孔周围并在气膜孔边缘开始起裂.基于晶体塑性理论建立单晶材料蠕变数值计算模型,将其编入Abaqus用户子程序中,对气膜孔和无气膜孔两种薄壁平板试样进行模拟分析.模拟结果显示在气膜孔周边存在应力集中和应力重分布,数值模拟分析结果与试样的断口表面形貌吻合.为便于工程应用,将高温持久断裂寿命与十二面体滑移系最大分切应力幅表达成指数关系,蠕变试验结果表明此式在该应力、温度条件下具有良好的精度.     

粉末高温合金FGH96的高温缺口疲劳研究

在500℃和600℃两个温度条件下,研究了第二代粉末高温合金FGH96的缺口疲劳性能,将原始数据的曲线拟合成S-N曲线,分析光滑与缺口试样的Kf的差别,用扫描电镜分析了试样的断口形貌特征。结果表明:FGH96合金的疲劳缺口敏感性随着温度的升高和应力比的增大而降低;与光滑试样的断口相比,合金的缺口试样在高温下疲劳裂纹多由加工刀痕起源,因此缩短了其疲劳萌生寿命;疲劳扩展区疲劳条带比较明显,扩展区面积比光滑试样小。     

孔挤压强化对2124铝合金疲劳寿命及微观组织的影响

采用疲劳试验、透射电镜、扫描电镜及X射线衍射仪等方法研究了2124-T851铝合金厚板不同参数孔挤压强化后疲劳寿命与显微组织的变化。结果表明：孔挤压强化后试样的疲劳寿命先随挤压量的增大而升高，随后又迅速降低，挤压量为0.4 mm时疲劳寿命达到峰值，较未强化增加12.66倍；组织观察结果表明孔挤压强化后，在孔壁强化层内形成了位错胞状结构和残余压应力，并且随挤压量增大先迅速增加然后趋于平缓，强化层的形成可以有效延缓疲劳裂纹的扩展速率；同时，适当的孔挤压强化可改善表面粗糙度，降低裂纹萌生几率，从而提高材料的疲劳寿命。     

加工表面完整性对GH4169高温合金疲劳寿命的影响

研究了ＧＨ４Ｉ６９高温合金的加工表面完整性对室温和６５０℃高温低周疲劳寿命的影响规律，研究结果表明，在低周疲劳条件下，表面粗糙度是主要影响因素，表面硬化对疲劳寿命有不利的影响，而残余应力对疲劳寿命的影响可以忽咯，这是由于残余应力在外加应力的作用下发生松弛，特别是在高温条件下，残余应力的松弛更为明显。     

二次孔挤压强化对Ti1023钛合金孔疲劳性能影响

采用X射线应力仪、粗糙度检测仪和透射电镜等对Ti1023钛合金孔挤压表面层性能进行对比分析,讨论带衬套孔的强化机理。结果表明：孔挤压(过盈量1%~3%)强化改善了孔壁表面粗糙度( Ra 从1.722μm降低到了0.349μm),增加了钛合金表面硬度(Hv值从32提高到了38),引入了残余应力场分布,从而改善了钛合金的微动疲劳性能(极限值从385 MPa提高到了619 MPa)。     

7B50-T7451铝合金板材孔挤压工艺性能研究

采用挤压棒直接冷挤压的方法对7 B50-T7451铝合金厚板进行了孔挤压强化,对比分析了其孔挤压前后疲劳寿命;并与第三代高纯7050-T7451铝合金厚板孔挤压强化效果进行对比.通过扫描电镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)以及X射线应力(XRD)等方法,研究了两种合金的疲劳断口形貌特征、微观组织变化以及孔表层的残余...     

镍基单晶高温合金DD6气膜孔热机械疲劳试验

涡轮冷却叶片气膜孔边存在大应力梯度，且服役时承受交变的机械载荷和热载荷，热机械疲劳（TMF）是其主要失效模式。通过开展带气膜孔和不带气膜孔的薄壁圆管试件TMF试验研究了气膜孔对镍基单晶高温合金TMF寿命的影响。结果表明最大循环应力在300~500 MPa应力范围内，循环应力幅值与镍基单晶高温合金TMF寿命呈现良好的对数线性关系，且气膜孔导致镍基单晶高温合金TMF寿命下降可达82.5%。继而完成了横向取向分别为〈010〉、〈110〉方向的气膜孔模拟件试验，结果表明气膜孔取向为〈110〉时寿命最短，仅为〈010〉取向的40.0%。最后开展了不同制孔工艺下的气膜孔模拟件试验，结果表明激光制孔气膜孔模拟试件寿命仅为电液束制孔气膜孔模拟试件的54.0%。气膜孔模拟件断口分析表明:TMF裂纹均萌生于气膜孔边，源区氧化严重；裂纹沿着大致与气膜孔边垂直的方向扩展。      

含孔薄板孔边疲劳裂纹的萌生和扩展

 测试了 Ni基高温合金 GH41 69含孔薄板试件不同应力幅下的低周疲劳寿命,给出了孔边最大应力幅相同时,应力集中因子改变对试件疲劳寿命的影响。结合断口 SEM分析,探讨了应力集中条件下,疲劳短裂纹的萌生和扩展方式。试验结果表明,疲劳裂纹以滑移方式在孔壁与试样表面相交的棱上萌生;萌生期依赖于孔边应力幅的大小,与孔径无关。但疲劳裂纹扩展速率与孔边局部区域的应力分布有关。在孔边应力幅相同的情况下,孔边应力集中因子较大的试样裂纹扩展速率大,疲劳寿命分布带略低于孔边应力集中因子较小的试样。短裂纹阶段,疲劳裂纹以角裂纹的形式向内扩展;长裂纹阶段,疲劳裂纹以穿透裂纹的形式进行扩展。稳定扩展阶段疲劳裂纹以穿晶的韧性撕裂方式发展,但在靠近失稳扩展区域疲劳裂纹呈准解理断裂方式扩展。试验未观察到疲劳短裂纹群的连接与合并现象。     

弯曲载荷下薄壁结构疲劳裂纹扩展性能

对某飞机座舱盖侧型材与锁环连接部位的疲劳裂纹扩展性能进行了研究。该结构区别于常见薄壁结构的特征是承受较大的弯曲载荷,使得利用薄板I型裂纹扩展的常用方法进行寿命分析会产生较大的误差。为了研究弯曲载荷下薄壁结构的疲劳裂纹扩展性能,开展了带孔板和侧型材结构模拟件的疲劳裂纹扩展试验。通过有限元仿真分析,研究了弯曲载荷对裂尖应力强度因子的影响,提出了一种当量应力强度因子变程公式;对本文所涉及的2种类型受弯曲载荷作用的试件,裂纹扩展寿命预测结果与试验吻合较好。研究表明,在相同的名义应力和裂纹长度下,薄板受弯时裂纹应力强度因子、裂纹扩展速率远低于受拉的情况;结构受到弯曲载荷时,锁环对连接部位的应力有显著的抑制作用,可以减缓疲劳裂纹的扩展;此外,合理的结构设计能够增加关键部位受弯时的疲劳裂纹扩展寿命。     

火焰筒掺混孔边裂纹萌生和扩展机理研究

利用有限元法，结合瞬态传热过程研究了火焰筒掺混孔内孔边裂纹形成和扩展机理，应用应变疲劳理论和裂纹扩展分析方法对裂纹萌生时间和扩展能力进行分析。由于火焰筒在热循环载荷作用下各处升温速度不一致．引起结构上的相互约束，使掺混孔边产生循环塑性变形导致疲劳裂纹萌生；裂纹萌生后会继续扩展，但这种扩展能力有限；孔边冷却区域大小会对裂纹扩展能力产生较大影响。     

无限板孔边裂纹问题的高精度解析权函数解

用Wu-Carlsson解析权函数法（WFM）求得了无限板孔边径向单裂纹和对称双裂纹的高精度解析权函数（WF）。分别用Shivakumar-Forman和Newman的解及基于复变函数泰勒级数展开的数值权函数WCTSE法结果,通过对相应格林函数（GF）的逐点比较验证了本文解析权函数的精度。该权函数不但精度高,而且作为裂纹长度的连续函数,能够高效准确地求解任意长度（a/R≤2）裂纹在任意复杂载荷作用下的断裂力学关键参量;且孔边单/双裂纹问题的权函数的形式和推导方法完全相同。作为示例,用该解析权函数计算了孔边裂纹在裂纹嘴楔形载荷、裂纹面幂函数,以及圆孔冷挤压残余应力等多种载荷形式下的应力强度因子。     

小孔对DD6单晶热机械疲劳的影响

通过开展同相（IP）和反相（OP）循环下DD6单晶带孔试样与光滑试样的机械应变控制热机械疲劳（TMF）试验,研究孔边应力集中与温度-应变相位角对裂纹萌生寿命的影响。结果表明:带孔试样裂纹萌生于孔边最大主应力位置,其寿命比相同名义载荷的光滑试样低约一个数量级;带孔试样的OP寿命均短于IP,这与光滑试样寿命趋势一致。结合基于滑移系的黏塑性数值模拟,获取不同试验条件下的单晶应力应变分布特征及其演化规律,并构建单晶TMF损伤与宏细观参量的关联。在此基础上,建立一种能够综合考虑应力集中与相位角影响的单晶TMF寿命模型,对光滑试样与带孔试样IP、OP TMF寿命预测结果基本落在试验寿命的2倍分散带内。      

主起落架上转轴开裂原因分析

主起落架完成3倍目标寿命疲劳试验后,进行分解检查时发现上转轴的一个孔边缘及孔内壁出现了裂纹,该上转轴共经历了4倍目标寿命疲劳试验,材料为30CrMnSiNi2A超高强度钢。通过外观检查、残余应力测试、断口宏微观观察、能谱分析、金相检验、硬度测试和化学成分分析等方法,对上转轴的开裂原因进行了分析。采用疲劳断口定量分析方法反推上转轴的裂纹萌生寿命,并给出疲劳裂纹扩展速率与裂纹长度之间的关系曲线。结果表明：该上转轴裂纹的性质为高周疲劳开裂,其裂纹萌生于2倍目标寿命+5个加载谱块之前;上转轴开裂原因与轴孔安装过紧进而承受较大载荷谱应力、源区侧表面损伤和残余应力共同作用有关。通过加强装配过程控制、提高表面处理,上转轴已完成安全寿命试验（即7倍目标寿命）。     

某压气机轮盘均压孔挤压强化数值仿真和挤压头设计

采用静力学求解算法、应用弹塑性有限元分析程序对挤压强化过程进行了仿真计算,研究了摩擦因数、挤压次数、挤压量、约束方式、倒圆半径、以及配合方式等参数对残余应力场的影响.根据某压气机轮盘均压孔的具体结构形式,设计了三种挤压头:单侧挤压头、柱形头和T形头.用两种材料(不锈钢1Cr11Ni2W2MoV和镍基高温合金ЗП742)设计加工了带孔薄板模拟件,用其中两种强化方法对孔边进行了强化试验,试验结果表明:T形头挤压工艺达到了提高疲劳强度的预期效果,且操作方便实用.将试验结果和数值仿真结果进行了对比,分析表明用静力通用程序可以解决金属材料孔板挤压过程的仿真问题,能有效指导挤压强化研究.