非对称载荷下TC17合金超高周疲劳试验

通过试验研究了110Hz和20kHz两种频率正弦式非对称载荷作用下TC17合金材料的疲劳失效行为,结果表明:载荷频率对TC17合金的疲劳强度和疲劳失效机理影响不明显,两种频率载荷作用下TC17合金的疲劳失效均存在表面诱发疲劳失效和内部诱发疲劳失效。表面诱发的疲劳失效主要是由循环载荷作用下试样机械加工缺陷和表面滑移所导致的,内部诱发的疲劳失效主要是由于材料初生α相在非对称循环载荷作用下发生解理断裂而导致的,失效形式的不同使得材料的应力-疲劳寿命（S-N）曲线呈双线性。萌生于TC17合金试样内部的疲劳裂纹可分为3个阶段:初生α相的解理断裂阶段、短裂纹扩展阶段和长裂纹扩展阶段。由裂纹萌生区特征可以确定室温条件下,应力比为0.1时,TC17合金疲劳长裂纹扩展门槛值为3.3MPa·m1/2。      

镍基高温合金GH4169小裂纹早期扩展的原位疲劳试验

通过原位扫描电子显微镜(SEM)疲劳试验,研究了直接时效GH4169高温合金在室温下的疲劳小裂纹萌生和早期扩展过程.结果表明:在应力比R=0.1的拉-拉疲劳载荷作用下,疲劳小裂纹的萌生寿命仅为全寿命的20%左右.疲劳小裂纹起源于表面夹杂,以半椭圆表面裂纹形状扩展,扩展后期穿透试样一侧形成角裂纹,角裂纹迅速扩展导致试样断裂.疲劳小裂纹的早期扩展易受局部微观结构的影响,扩展速率分散性较大.      

粉末高温合金FGH96原始颗粒边界及高温原位高周疲劳研究

利用扫描电镜原位观察的方法研究了粉末高温合金FGH96中不同级别的原始颗粒边界(PPB)在550℃下对合金高周疲劳力学行为的影响。结果表明:采用等离子旋转电极(PREP)制粉+热等静压(HIP)工艺制备的FGH96合金中PPB主要由大尺寸γ'相和碳化物组成;不同级别的PPB对高周疲劳裂纹萌生和扩展均无显著影响,裂纹萌生于晶粒内部,裂纹扩展受晶界与应力轴角度影响,穿晶或沿晶扩展;在裂纹快速扩展区和瞬断区,PPB级别严重的FGH96合金断口呈现穿晶和沿PPB断裂的形貌。     

TC17钛合金高温超高周疲劳实验

自主研发了高温超声疲劳(20kHz)实验系统,并完成了TC17钛合金在室温、200℃和350℃条件下的疲劳性能实验研究.结果表明:TC17钛合金的动态弹性模量随温度升高呈线性减小.S-N曲线在室温下呈直线下降趋势,但在200℃和350℃条件下,S-N曲线在疲劳寿命为107周次处出现明显的拐点.断口分析表明疲劳裂纹萌生于试件表面或次表面,没有发现裂纹萌生于内部的情形,TC17钛合金的裂纹萌生可不依赖于试件内部的夹杂物或缺陷.高温不仅促进了裂纹的萌生还促进了裂纹的扩展.     

镍基高温合金GH536的热疲劳行为

燃烧室火焰筒作为航空发动机的热端关键结构件，在工作过程中受到复杂的循环温度载荷，使其承受热疲劳损伤.对火焰筒常用镍基高温合金GH536的热疲劳行为进行试验研究.根据火焰筒结构和载荷特征，设计了中心孔平板试样以及热疲劳试验，研究了热疲劳载荷条件下GH536平板的裂纹萌生及扩展规律，揭示了GH536的热疲劳破坏机理.研究发现:①热疲劳裂纹以穿晶模式萌生，以沿晶方式扩展并断裂；②随着热疲劳试验中上限温度的升高，裂纹的萌生寿命缩短，裂纹扩展速率加快，试样在800℃时的热疲劳裂纹萌生寿命是900℃裂纹萌生寿命的4.5倍.      

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。     

喷丸残余应力及夹杂影响小裂纹仿真概率模型

提出考虑喷丸残余应力及内部夹杂影响的随机内部小裂纹形核扩展概率模型，实现构件内部疲劳裂纹萌生过程的仿真。针对高温合金X，在开展试验的数据基础上，识别模型所需的残余应力分布参数、“形核相关”夹杂尺寸分布参数、微观结构相关塑性本构参数及小裂纹形核扩展参数。模型成功预测喷丸等直棒两种主要的形核方式：残余拉应力平衡层夹杂形核及无残余应力区夹杂形核。与试验对比，模型预测内部裂纹萌生寿命及其分散精度高，残余拉应力平衡层预测萌生寿命中值误差为2%，-3σ寿命误差为37%，无残余应力区预测萌生寿命中值误差为3%，-3σ寿命误差为3%；此外，模型仿真的内部裂纹形貌为“鱼眼形”，贴合试验件断口形貌。     

SiO_2非金属夹杂物对镍基粉末高温合金微观力学行为的影响

通过扫描电镜原位拉伸和原位疲劳实验,动态跟踪观察了SiO2类非金属夹杂物对FGH95合金裂纹萌生和扩展的影响规律.结果表明,在原位拉伸过程中,夹杂物处是裂纹萌生的择优位置,且沿与应力轴垂直或约45°向夹杂内部扩展.当主裂纹扩展到基体中之后,呈锯齿状向基体内扩展,但主裂纹所在平面仍与主应力轴垂直,其尖端变形带内有明显的滑移线出现.在原位疲劳过程中,主裂纹在夹杂物与基体界面处萌生,并在尖角应力集中处沿与主应力轴成45°向基体中扩展,随后沿垂直于主应力轴方向扩展至失稳断裂.夹杂物附近基体中的贫γ′相区,断口在两种加载条件下呈不同的断裂特征.     

FGH96涡轮盘低循环疲劳寿命分析技术与试验

分析FGH96涡轮盘的尺寸效应,分析了分别适合于FGH96亚尺寸盘和全尺寸盘的低循环疲劳寿命预测方法.成功设计了FGH96亚尺寸盘、全尺寸裂纹扩展盘试验件;通过低循环疲劳试验,展现了两种不同的低循环疲劳失效机理,验证了提出的低循环疲劳寿命预测方法;通过裂纹扩展试验,获得了FGH96全尺寸轮盘的裂纹扩展特性,揭示了FGH96全尺寸涡轮盘与紧凑拉伸试样裂纹扩展特性具有显著差别的客观规律;获得FGH96全尺寸涡轮盘580℃损伤容限值,明确某发动机高压涡轮盘损伤容限水平.      

高温合金线性摩擦焊接头疲劳裂纹扩展有限元分析

为了表征高温合金线性摩擦焊接头疲劳服役环境下疲劳裂纹的萌生及扩展行为,揭示裂纹扩展对接头失效的影响机制,基于有限元法研究高温合金线性摩擦焊接头疲劳裂纹扩展的行为及其重要影响因素.以接头失效内因(孔洞、硬质夹杂、残余应力)为研究对象,建立不同几何和位置特征的含有初始孔洞及夹杂的疲劳接头有限元模型,研究不同特征下疲劳接头裂...     

夹杂对粉末高温合金裂纹扩展寿命的影响

采用有限元方法中的奇异单元,研究了当粉末高温合金FGH 95中存在由夹杂引起的裂纹时,夹杂对裂纹应力强度因子的影响;并在此基础上,利用Paris公式,计算了夹杂对裂纹扩展寿命的影响。研究结果表明:当夹杂处于裂纹的不同位置时,对应力强度因子的影响趋势也不同,且硬夹杂的影响趋势与软夹杂相反;存在软夹杂时,将夹杂当作初始裂纹,不考虑夹杂的影响得出的裂纹扩展寿命结果是安全的,而对于硬夹杂得出的结果偏于危险,对于FGH 95粉末高温合金,夹杂相对于基体材料其弹性模量偏小,为软夹杂,因此将夹杂当作初始裂纹计算裂纹扩展寿命时不考虑夹杂的影响,将得到偏于安全的裂纹扩展寿命计算结果。这一结论为简化粉末冶金涡轮盘的寿命分析提供了依据。      

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.     

腐蚀条件下LD2航空铝合金裂纹扩展规律研究

 腐蚀损伤会加速飞机结构的疲劳裂纹扩展,缩短飞机疲劳寿命。以LD2航空铝合金材料为研究对象,通过在实验室内模拟飞机服役环境进行加速腐蚀试验,得到不同腐蚀时间下的试验件,并在MTS-810疲劳机上对不同腐蚀时间下的试验件进行疲劳试验,得到不同腐蚀年限下的疲劳断口形貌。通过断口判读分析,得到不同腐蚀年限下的裂纹扩展数据(a,N)。从不同腐蚀时间下的裂纹扩展数据研究分析,得到裂纹长度与循环次数符合指数函数的形式,即裂纹扩展速率与裂纹长度成正比,其斜率依赖于腐蚀损伤与疲劳载荷两个因素,而且在同一应力水平下,其斜率与腐蚀时间呈线性关系,并且其截距与应力水平也呈线性关系。     

喷丸强化对FGH96粉末高温合金疲劳性能应力集中敏感性的影响

为研究喷丸强化对FGH96粉末高温合金疲劳性能应力集中敏感性的影响,采用不同强度陶瓷丸喷丸强化对合金磨削表面进行了表面处理,并研究了疲劳性能和表面完整性状态。研究结果表明:在650℃下,当应力集中系数由Kt=1提高到Kt=1.7时,FGH96合金磨削状态疲劳极限由583MPa下降到465MPa;经过大强度喷丸强化后,Kt=1.7疲劳极限回复到530MPa;小强度喷丸强化对Kt=1.7疲劳极限无增益作用。大强度喷丸强化消除了加工刀痕,表面粗糙度略有增大,引入了深度达到100μm的残余应力场,在600MPa下疲劳源萌生于次表层,呈单源疲劳模式;小强度喷丸强化无法消除加工刀痕,在600MPa下疲劳源萌生于表层,呈多源疲劳模式。结果证明适宜的喷丸强化工艺可以缓解结构应力集中对粉末合金疲劳性能的削弱。     

应力强度因子变程相关的FGH97蠕变-疲劳裂纹扩展主导因素

利用扫描电镜对FGH97试件在750℃,应力比为0.05,不同保载时间和应力强度因子变程处的断口微观特征进行了观察,发现保载时间为90s时,随着应力强度因子变程提高,疲劳条带特征逐渐消失,可忽略疲劳载荷作用的应力强度因子变程值位于中等水平处;保载时间为450s和1500s时可忽略疲劳载荷作用的应力强度因子变程值更低.基于包含蠕变-疲劳交互项的3项式模型,引入时间相关和循环相关分量对蠕变-疲劳裂纹扩展试验数据进行了分析,发现不同保载时间下,时间相关分量与循环相关分量对总的裂纹扩展速率的贡献量与应力强度因子变程水平有关.基于分析结果,给出了时间相关裂纹扩展速率描述模型,并讨论了不同保载时间下影响裂纹扩展主导因素的应力强度因子变程值.      

基于循环应变特征的疲劳-蠕变寿命预测方法

为研究非对称加载下疲劳-蠕变交互作用对粉末高温合金涡轮盘寿命的影响,开展了550 ℃时不同应力水平及保载时间下FGH96粉末高温合金的低周疲劳-蠕变试验,得到了材料的循环应变响应及疲劳-蠕变寿命随保载时间的变化规律。在此基础上,结合材料的循环软化特征,以循环应变范围作为损伤控制参量,将其与保载时间和动态循环次数相关联,提出了一种基于循环应变特征的疲劳-蠕变寿命预测方法。该模型综合考虑了载荷历程和保载时间对材料疲劳-蠕变损伤的影响,能够实现不同应力水平、不同保载时间下FGH96粉末高温合金疲劳-蠕变寿命预测以及消耗寿命的动态跟踪。通过与工程上常用的几种模型进行对比,发现新模型具有较高的预测精度,且预测结果分散性较小,寿命预测结果基本位于±2.5倍寿命分散带之内,预测标准差小于0.4。     

FGH95粉末盘材料热/机械疲劳和等温低周疲劳断裂行为研究

对粉末冶金盘材料 FGH95进行了同相位 ,温度循环为 3 5 0℃到 60 0℃的热 /机械疲劳试验和 60 0℃的等温低周疲劳试验。考察了两种载荷波形下材料的循环应力响应行为和高温疲劳断裂机理以及载荷波形对疲劳寿命的影响。研究结果表明 :同相位热 /机械疲劳寿命比上限温度的等温低周疲劳寿命短。该材料在高温应变疲劳的循环应力响应行为与应变水平的大小以及循环载荷波形有关。试样的微观断口分析显示了在高温应变疲劳试验中同时存在疲劳、蠕变和氧化损伤。在同相位热 /机械疲劳载荷下 ,穿晶 +沿晶断裂为疲劳断裂的主要特征 ;在等温低周疲劳载荷下 ,裂纹主要为穿晶萌生与扩展