航空铝合金材料腐蚀裂纹扩展性能试验

腐蚀环境下的裂纹扩展性能是航空金属结构损伤容限设计的重要前提,为此,试验测定了3种航空铝合金材料(即2E12-T3、2E12-T42和7050-T7451)在2种腐蚀环境(3.5wt%NaCl溶液和油箱积水)下的裂纹扩展性能,在试验数据的基础上进行性能对比,并对试样断口进行SEM分析,研究了腐蚀和载荷联合作用对裂纹扩展的影响机理,研究结果表明:油箱积水环境对航空铝合金材料裂纹扩展的影响比3.5wt%NaCl溶液严重,铝合金2E12-T3和2E12-T42的腐蚀裂纹扩展性能优于铝合金7050-T7451,腐蚀环境下的氢脆效应和阳极溶解机制是造成腐蚀裂纹扩展加速的主要原因。     

航空铝合金弹塑性状态疲劳裂纹扩展速率试验

研究含长裂纹薄壁结构弹塑性状态下的裂纹扩展规律对于保证机体结构安全具有重要意义.设计了民机用铝合金大宽板裂纹扩展速率测试用试验件和夹具,进行了2024-T3和7075-T6两种铝合金大宽板弹塑性状态下裂纹扩展速率测试.讨论了应力强度因子变程(ΔK)和裂纹中心线处的张开位移变程(Δδ)作为弹塑性状态下裂纹扩展速率表征参量的适用性.研究结果表明:中、高级应力水平作用下,含长裂纹铝合金大宽板裂纹进入快速扩展阶段,裂纹扩展ΔK~da/dN曲线发生明显转折,不能用Paris公式拟合.在裂纹扩展后期,Δδ~da/dN曲线在双对数坐标下呈线性关系,可用Δδ~da/dN关系曲线来表征弹塑性状态下铝合金的裂纹扩展速率.     

焊接缺陷对异种铝合金TIG对接接头疲劳行为的影响

以5A06-O/7A05-T6异种铝合金钨极氩弧焊（TIG）对接接头为对象，通过疲劳试验数据和断口形貌分析，研究了气孔缺陷和未熔合缺陷对焊接接头疲劳性能的影响规律及机理。结果表明:气孔缺陷和未熔合缺陷对5A06-O/7A05-T6对接接头的疲劳性能均产生不利影响，且缺陷的大小、位置与载荷的交互作用是影响疲劳裂纹提前萌生的主要因素，同一应力水平下，疲劳裂纹更易萌生于尺寸较大且位置更接近于材料表面的焊接缺陷处，而随着应力水平的降低，焊接缺陷对焊接接头疲劳性能的不利影响更为显著；与气孔缺陷相比，未熔合缺陷边缘的应力集中效应更明显，更易导致疲劳裂纹萌生，且焊接接头组织相较于焊接母材组织更脆，疲劳裂纹以穿晶和沿晶形式交替扩展，使疲劳寿命进一步缩短。      

高强度铝合金7804-T6板材温拉伸本构方程

通过在293~573K的温度范围内和应变速率为0.0006~0.06s^-1下对高强度铝合金7B04-T6薄板进行温拉伸试验,研究了高强度铝合金温拉伸性能,以及该合金在升温条件下流变应力与变形温度、应变速率之间的关系,可以得出结论:合金的流动应力随温度的升高而降低,随应变速率的升高而升高;延伸率随变形温度的升高而增大,随应变速率的增大而减小,并基于Fields and Backofen方程建立了该型铝合金在温拉伸时应力-应变模型.     

低电阻率陶瓷基PTC材料温控特性研究

常温居里点陶瓷基正温度系数材料在常温段热控领域具有广阔应用前景，但其存在低温区电阻率过大的问题。基于此，以Ba0.64Sr0.36TiO3为基体并采用固相烧结工艺，研制出低温区电阻率为800Ω·cm的常温居里点PTC材料，分别利用实验和仿真手段对其温控性能进行研究。结果表明：在低温、低电压工况下，该材料可将受控体温度迅速维持在25.6℃附近，而其他加热元件控制温度均偏离常温。该材料热控响应时间少于其他加热元件的50%。在-5～5℃的周期性变化环境中，该材料控温波动幅度最小，只有2.1℃。在真实低温环境下，该材料能将受控体温度快速升至约22.3℃，在12 h内温度波动不到2℃，有效抑制了外界环境对热控过程的干扰。     

LC_4高强度铝合金应力腐蚀断裂机理的研究(一)

本文用DCB试样研究了LC4高强度铝合金在pH=6～6.5,35℃±1℃的3.5％NaCl溶液中应力腐蚀断裂机理。 文中分析了断口表面的特征,并且指出靠近裂纹尖端的断口表面上被一层薄的钝化膜所复盖。它是一种非常有效的防止氢进入金属的阻挡层。 用金相跟踪照相的方法得到的应力腐蚀断裂试验结果证实裂纹尖端前沿的塑性区大小取决于裂纹尖端的K_1,而不取决于其它因素。 用恒电位技术得到的IgV—ψ曲线,表明阴极极化作用会抑制裂纹扩展,而阳极极化作用会促进裂纹扩展速率。 作者论证了LC4铝合金在试验条件下的裂纹扩展不是由于氢脆引起的。     

基于涂层传感器的金属结构疲劳裂纹监测

针对飞机金属结构在服役过程中的裂纹扩展实时监测需求,提出一种现代表面技术与电位法原理相结合的疲劳裂纹监测研究方案.在结构易出现裂纹的热点部位制备了一种具有绝缘隔离层、导电传感层和封装保护层3层结构的裂纹监测涂层传感器.然后进行了疲劳裂纹监测试验,结果表明:通过分析涂层传感器电阻(电位)的变化可以实现对2A12-T4铝合金连接结构多个部位的裂纹同时进行有效监测.此外,还对表面制备涂层传感器的试样与原始试样的疲劳特性进行了对比研究.结果表明:应用现代表面技术在2A12-T4铝合金表面制备涂层传感器,对其疲劳性影响甚微.     

2195-T8铝锂合金疲劳多裂纹融合试验与仿真研究

铝锂合金作为航空航天广泛应用的合金材料,其疲劳断裂行为的研究对结构安全性评价具有重要意义。以第三代铝锂合金2195-T8为研究对象,通过恒幅拉-拉疲劳试验和有限元方法对2195-T8铝锂合金疲劳裂纹扩展行为进行试验与仿真研究。基于断面显微测量与观察,在仿真模型中引入多个初始裂纹,模拟多裂纹的融合扩展过程,获得多裂纹独自扩展、交融时扩展和融合后扩展的规律。结果表明：裂纹融合前,在疲劳循环载荷作用下,裂纹尖端应力强度因子总体上不断增大,塑性区域体积增加区域平缓;当裂纹相互融合时,裂纹面处应力强度因子瞬时增大,远高于其余裂尖数值大小;随着裂纹进一步融合,尖端应力强度因子数值趋于平稳;裂纹完全融合后,到达裂纹快速扩展阶段,塑性区域体积与扩展步数呈正比增加,扩展速率呈现先快后慢的规律,裂纹面交汇融合成新的椭圆形状裂纹面。     

过渡状态下材料断裂韧性的计算方法

材料的断裂韧性对于损伤容限设计和评估技术非常重要,但采用传统的试验方法获得过渡状态下材料的断裂韧性需要大量的时间和费用.针对这些不足,提出了一种过渡状态下材料断裂韧性的计算方法.分析了三维裂纹尖端的三轴应力约束参数,利用材料断裂能量准则研究了断裂韧性与拉伸性能之间的关系,得到了在三向应力状态下Ⅰ型裂纹体断裂破坏时的断裂韧性与材料单向拉伸性能参数之间的关系表达式和过渡状态下材料断裂韧性的计算方法.计算了2219-T87铝合金在过渡状态下的断裂韧性理论值,并将其与试验结果和经验公式计算值进行比较.结果显示,理论计算值处于试验点范围内,小于经验公式计算值,且偏于安全.      

钛合金冲击性能与动态压缩性能间的定量关系

为认识钛合金的冲击性能与冷镦成品率的关系,运用组织定量统计分析的方法研究了Ti-3Al-5Mo-4.5V钛合金显微组织参数对冲击性能的影响规律,结合动态压缩后的剪切带宽度变化规律,探讨了裂纹形成功、裂纹扩展功以及冲击功与剪切带宽度之间的关系.结果表明:随着退火温度的上升,α片长宽比先增加后减小,裂纹形成功也是先上升后下降,而裂纹扩展功却是先减小后增加,冲击总功持续上升;冲击功指标与材料的动态压缩性能未发现必然联系,裂纹形成功与动态压缩后的剪切带宽度成反比例关系,而裂纹扩展功与剪切带宽度线性正相关.      

高强钛合金中的微动损伤与疲劳

本文对高强钛合金Ti-10V-2Fe-3Al在不同温度下的微动损伤和疲劳特性进行了研究。试验结果表明,该合金对微动损伤十分敏感,常温疲劳强度下降达50％。微动损伤的主要机制是疲劳脱层,这是由作用在材料次表层的交变切应力引起的,它将导致疲劳裂纹的萌生和早期断裂。疲劳裂纹的扩展方向可根据接触应力分析得到解释。在较高试验温度下,由于接触面形成的氧化层的保护作用,微动损伤程度减弱。     

焊接构件低温疲劳P-S-N曲线的研究

焊接构件的低温 P-S-N曲线是冬季构件抗疲劳设计的基础.在PLG-300 kN高频疲劳试验机上,测定了在-25℃环境下4种应力水平对应的焊接构件的疲劳寿命,并得出了其中值S-N曲线.采用小样本实验的单侧容限分析方法,利用对数疲劳寿命变异系数的经验取值,得出了焊接构件的低温P-S-N曲线.这种方法既简便又经济,但需要由进一步的实验来完善.     

纤维增强熔模铸造复合型壳的性能及断口形貌

为提高熔模铸造硅溶胶型壳的强度性能,采用天然植物/硅酸铝双纤维来增强熔模铸造型壳.将质量比为1:1天然植物/硅酸铝双纤维加入到制壳用涂料中来制备型壳试样,对不同纤维加入量条件下所获得的纤维增强型壳试样的常温强度、不同温度焙烧后的抗弯强度及高温自重变形量的变化规律进行了研究,并利用SEM观察型壳试样断口形貌.结果表明,当纤维加入量从0.2%逐渐增加到1.0%时,其常温抗弯强度先增加后减小;纤维加入量为0.6%时其常温抗弯强度值达到2.94 MPa.高温自重变形量则先减小后增大.加入0.6%纤维的增强型壳试样经900℃焙烧后,其抗弯强度达4.04 MPa,与未采用纤维增强的型壳试样的抗弯强度接近.断口形貌观察结果表明,纤维增强硅溶胶型壳试样受力破坏失效主要由于硅溶胶凝胶膜的断裂、硅酸铝纤维拔出、断裂及脱粘等综合作用所致.     

基于涡流阵列传感器的金属结构疲劳裂纹监测

针对飞机金属螺栓连接结构疲劳裂纹实时监测的需求,提出了一种基于柔性平面涡流阵列传感器的飞机金属结构疲劳裂纹监测方案,通过半解析建模对传感器的工作特性进行了研究,搭建了监测系统并通过试验对方案可行性进行了验证.半解析模型结果表明传感器感应通道与激励通道的相位差和幅值比随提离距离及被测试件电导率的变化曲线具有单调性,且幅值比变化大,敏感度高.程序载荷谱作用下2A12-T4铝合金试件疲劳裂纹监测试验结果表明:将各通道幅值比变化曲线中的拐点作为特征点,传感器通道1能对累积损伤进行监测,通道2,3,4能对疲劳裂纹扩展长度进行定量监测,监测精度达到1 mm.所提出的柔性平面涡流阵列传感器能够实现对疲劳试件从累积损伤到疲劳裂纹扩展整个寿命周期的监测.     

轮盘榫齿高低周复合疲劳寿命试验研究

某二级涡轮盘榫齿在外场使用中断裂失效严重,连续发生数起二级涡轮盘甩出及叶片脱榫飞出事故.断口分析表明属疲劳和腐蚀交互作用所致,为确保发动机在外场使用的安全,对这种轮盘榫齿在高温状态下,分轻、重腐蚀2种类型进行了高、低周复合疲劳寿命对比试验研究.试验较成功地模拟了实际使用中造成榫齿损坏的主要因素,试验断口表现出明显的疲劳破坏特征,实现了盘齿故障再现,其试验成果为该发动机安全飞行提供了科学依据.      

燕尾榫连接结构微动疲劳全寿命预测方法

微动损伤使航空发动机榫连接结构疲劳寿命显著降低。以钛合金Ti-6Al-4V燕尾榫连接结构为例，提出一种适用于复杂结构微动疲劳全寿命预测方法。基于修正的Manson-McKnight方法和多轴疲劳理论，疲劳损伤参数由等效应力参数（ESP）表征，微动疲劳裂纹萌生位置和成核寿命通过有限元分析（FEA）和ESP预测。基于断裂力学理论和最大周向应力准则，提出微动疲劳裂纹扩展数值模拟方法，建立微动疲劳扩展寿命与裂纹长度函数关系，依据裂纹终值长度预测微动疲劳扩展寿命。结果显示:钛合金Ti-6Al-4V燕尾榫连接结构微动疲劳裂纹扩展角预测值与实验值均为18°，裂纹生长方向预测值与实验值相符；微动疲劳全寿命（成核寿命+扩展寿命）预测值在实验值的2倍分散带内；最大拉伸载荷对榫连接结构的微动疲劳全寿命影响显著，在相同应力比下，最大拉伸载荷从18 kN变化到24 kN，钛合金Ti-6Al-4V燕尾榫连接结构微动疲劳全寿命降低1个数量级。      

湿热对单向复合材料层板断裂韧性及疲劳裂纹扩展的影响

就湿热(70℃,相对湿度RH100％)环境对T300/914C石墨/环氧单向复合材料层板层间断裂韧性的影响进行了研究。用扫描电镜对断口形貌进行观察,不论是湿热处理的或是室温放置和经干燥处理的,断口形貌无明显差异。我们还对上述DCB试样在交变载荷作用下裂纹的扩展行为进行了研究。找出了裂纹扩展速率da/dN与最大循环应变能释放率G_(Imax)关系式da/dN=A·G_(Imax)~B中的A和B两个常数的数值。经湿热处理的DCB试样疲劳裂纹扩展速率与干燥试样相比有所降低。我们分别用断口形貌、断裂机理和断裂力学原理分析了湿热环境对复合材料性能的影响。