基于小裂纹理论的航空材料疲劳全寿命预测

综述了基于小裂纹理论的疲劳全寿命预测方法。该方法把断裂力学的ΔK分析与裂纹闭合概念结合起来,应用于自然萌生的小裂纹和长裂纹的扩展,并全部基于对起源于材料初始缺陷的裂纹扩展分析预测疲劳全寿命。这一方法已被作者成功地应用于多种航空材料,包括:4种高强度铝合金、2种高强钢和2种钛合金,载荷类型涉及恒幅、Mini-Twist和直升机旋翼谱等。结果表明,预测的疲劳全寿命与实验结果吻合良好,从而为把基于断裂力学裂纹扩展的损伤容限方法向传统的疲劳领域(S-N曲线,安全寿命)延伸开辟了可行的途径。     

航空铝合金材料低温疲劳研究进展

铝合金材料由于具有强度高和易加工等优势,被广泛应用于航空工程领域。低温是航空铝合金材料使用中不可避免的环境因素,低温下航空铝合金材料的疲劳行为也受到国内外学者和工程界的高度关注。综述了近年来航空铝合金材料的低温疲劳试验研究,分析了低温疲劳失效机理,归纳了航空铝合金材料的低温疲劳模型表征和寿命评估方法,并展望了需要在试验、失效机理、模型表征和寿命预测方面进一步研究的问题,为航空铝合金材料的工程设计和应用提供帮助。     

基于微观结构的航空铝合金点蚀扩展行为研究

点蚀是航空铝合金材料在服役环境下常见的损伤形式,在疲劳载荷作用下容易形成裂纹,缩短结构的疲劳寿命。为了深入研究点蚀对航空铝合金结构腐蚀疲劳寿命的影响,基于铝合金电化学腐蚀机理和铝合金微观结构,以点蚀蚀坑尺寸为研究参量,对航空铝合金点蚀扩展行为进行建模研究,并将模型计算结果与LY12CZ铝合金点蚀试验结果进行对比分析。结果表明:所构建的铝合金点蚀扩展模型较为合理地反映了铝合金点蚀蚀坑尺寸参数的变化规律。     

非耦合韧性断裂准则及其在航空金属材料中的应用

结构轻量化是航空航天和汽车领域的重要发展趋势,对以铝合金、镁合金和钛合金为代表的轻质高强金属材料的需求与日俱增。预测材料的损伤断裂行为是高性能航空构件成形工艺设计和服役性能评估的关键,而发展先进的韧性断裂准则是其主要途径。本文首先介绍了金属材料损伤断裂的微观机制,包括剪切和压缩应力主导的剪切型断裂、拉应力主导的拉伸型断裂及复合型断裂。回顾了韧性断裂准则的研究现状,传统非耦合韧性断裂准则的发展历程、特点和适用场合,重点论述了近年来几种典型的非耦合韧性断裂准则的特点和优势。传统的非耦合韧性断裂准则通常只考虑最大主应力或平均应力对损伤断裂的影响,忽略了偏应力的作用,不适合于低应力三轴度或复杂应力状态下的断裂行为预测;而新的韧性断裂准则综合考虑应力三轴度和罗德角参数对损伤演化的共同影响,适用于复杂的应变路径和应力状态。最后,评述了非耦合韧性断裂准则在铝合金、镁合金和钛合金等航空金属材料中的发展现状和典型应用,展望了韧性断裂准则的发展趋势和研究方向。非耦合韧性断裂准则需针对先进结构金属材料的变形特点,综合考虑应力状态、应变速率、温度及各向异性等对损伤断裂的作用,使其具有更好的普适性和预测精度。     

变幅载荷下材料的疲劳裂纹扩展行为

本文对在北京航空材料所和西德宇航院材料所进行的有关在变幅载荷下几种飞机结构材料的疲劳裂纹扩展行为及其寿命预测方法进行了评述。文中报道了铝和钛合金在不同类型超载下的迟滞效应与扩展机制,对7475-T7351铝合金在系统变化高、低载和卸载的序列下的裂纹扩展试验结果也进行了阐述。最后对寿命预测模型,线性累积法、恒Sop模型和改进后模型的预测结果与实测数据进行了对比和讨论。     

飞机结构材料疲劳裂纹的扩展机制及其工程应用

 本文简要地评述了铝合金、钛合金和高强度钢的疲劳裂纹扩展机制及其工程应用;提出了预测疲劳裂纹扩展门槛值的一个普遍关系式;评价了现有四种超载模型对Ti-6A1-4V合金在拉伸超载下的延缓效应和预测寿命能力。对Willenborg和Maarse模型作了改进,并应用于A1和Ti合金的寿命预测。改进后的Maarse模型明显地提高了预测拉伸超载下和谱载下寿命的精度。文中还讨论了显微组织、应力比和表面状态等对材料疲劳裂纹扩展行为的影响。     

钛合金结构损伤容限设计可行性研究

对飞机结构常用金属材料损伤容限特性进行了对比分析,针对TC4和TA15损伤容限特性较差的缺点,研制出两种超低间隙（ELI）钛合金TC4ELI和TA15ELI,并对其进行结构损伤容限设计可行性论证。进行了两种超低间隙钛合金和普通钛合金裂纹扩展寿命、剩余强度和疲劳全寿命对比实验。实验结果表明：具有片层组织的超低间隙钛合金相对于普通成分钛合金断裂韧性和裂纹扩展特性有明显改善,剩余强度和疲劳全寿命相当;应力水平相当时,超低间隙钛合金工程可检裂纹扩展寿命比航空结构中常用铝合金稍长。因此,对于超低间隙钛合金TC4ELI和TA15ELI可以进行损伤容限设计。     

激光增材制造高强高韧TC11钛合金力学性能及航空主承力结构应用分析

随着损伤容限设计理念发展和轻量化要求提高,高强高韧钛合金逐渐成为航空装备关键主承力构件主要结构材料。激光增材制造制备钛合金大型主承力构件具有数字化、短周期、低成本等技术优势,特别是激光增材制造过程超常固态相变动力学条件为制备高强高韧钛合金提供了新的机会。本文根据航空主承力结构选材性能要求,对激光增材制造TC11钛合金静强度、疲劳和损伤容限特性进行测试与分析,在此基础上对其在航空主承力结构的应用前景进行分析。结果表明,激光增材制造TC11钛合金力学性能具有显著的高强高韧和低屈强比特征,其疲劳缺口敏感性和裂纹扩展速率低,性能分散性小,综合性能满足航空主承力结构选材要求。与目前航空主承力结构广泛应用的TC4-DT损伤容限型钛合金相比,激光增材制造TC11高强高韧钛合金损伤容限特性相当、疲劳性能有所改善、许用应力提高23%,结构具有进一步减重优势。激光增材制造TC11钛合金优异的强韧性匹配在提高结构许用应力的同时可避免大厚度结构发生脆性断裂,其低疲劳缺口敏感性和优异的疲劳裂纹扩展特性对于结构服役安全具有重要意义。     

低温对航空铝合金疲劳与裂纹扩展行为的影响

为了研究航空铝合金疲劳与裂纹扩展行为和机理,测试2种常用航空铝合金2524-T3和7050-T7451在常温25℃和低温–70℃下的疲劳与裂纹扩展性能,借助断口金相分析微观机理。结果表明:相同应力加载水平下,铝合金低温疲劳寿命延长而低温裂纹扩展速率减慢,–70℃低温对2种航空铝合金疲劳与裂纹扩展行为产生有益影响;–70℃低温环境下疲劳裂纹萌生区出现明显的台阶状小平面,两侧断面间形成凹凸错位,疲劳裂纹萌生困难;而在裂纹扩展区疲劳条带和韧窝特征减弱,且出现明显的沿晶特征,裂纹趋向于沿着晶界曲折扩展,疲劳和裂纹扩展寿命延长;随着加载应力水平提高,断口表面凹凸错位和沿晶特征减弱,而疲劳条带和韧窝特征增多。     

考虑沙尘颗粒冲蚀损伤的航空叶片寿命预估

在沙漠环境下,当航空发动机叶片和直升机桨叶在高速运行时,会吸入沙尘微粒使其撞击在发动机叶片或其他部位,造成冲蚀损伤。在循环载荷的作用下,冲蚀坑处往往形成疲劳源,会对材料的疲劳特性造成很大影响。本文基于连续损伤力学理论,建立了考虑沙尘颗粒冲蚀损伤钛合金叶片的疲劳寿命预测方法。首先,基于有限元显式计算,模拟沙尘颗粒冲击钛合金叶片,分析了冲蚀坑、残余应力、残余应变以及初始塑性损伤;其次,推导了疲劳损伤模型,以及相应的损伤力学数值算法;再次,编写VUMAT子程序,采用数值解法,对含冲蚀损伤的钛合金叶片进行寿命预估,最后,深入分析了不同冲蚀情况下,钛合金叶片的疲劳损伤及疲劳寿命。计算结果表明,冲击速度越大,轴向残余应力越大,材料的损伤速率越快;冲击角度越大,冲击凹坑深度越浅,叶片的疲劳寿命越高。该研究为发动机叶片在沙尘颗粒冲蚀影响下的疲劳损伤评定提供一种可行方法。     

航空材料的冲击疲劳问题研究进展与展望

材料的冲击疲劳问题在航空工程中大量存在,舰载机的弹射起飞、拦阻着舰都是典型的冲击疲劳问 题。本文梳理了冲击疲劳概念的早期发展历程,综述了自2000年以来冲击疲劳领域的主要研究进展,包括材 料冲击疲劳性能的主要影响因素、材料冲击疲劳试验方法、冲击疲劳的损伤表征和寿命预计以及冲击疲劳问题 的数值计算方法等,指出材料的微观结构、边界条件、使用环境、冲击载荷类型等对冲击疲劳性能有显著影响。 总结了航空工程中冲击疲劳问题面临的主要挑战,并结合未来工程结构设计的需求,展望了航空领域冲击疲劳 技术的未来发展方向。     

基于模糊可靠性的飞机结构腐蚀疲劳寿命评定

腐蚀和腐蚀疲劳大大降低了LY12CZ铝合金的材料性能,严重地威胁着飞机的结构完整性和使用安全。飞机结构失效过程与所受的载荷、材料特性、服役的腐蚀环境等因素有关,由于各因素联合作用,失效过程损伤机理相当复杂,既有随机性又有模糊性。针对目前腐蚀疲劳寿命评估的常规概率方法的缺陷,基于通过对海军航空部队调研得到的飞机实际使用载荷谱,提出更合理、更贴近实际情况的模糊可靠性评估方法。讨论了蚀孔形状比和各模糊因素对结构寿命的影响规律,研究结果表明该模糊可靠性方法可以应用于飞机结构的腐蚀疲劳寿命评估。     

铸件中显微孔洞特征及其对疲劳寿命影响的研究进展

铸件在铸造过程中会不可避免地产生显微孔洞,严重降低了铸件疲劳寿命。本文综述铸件中显微孔洞特征(尺寸、形状和空间分布)对疲劳寿命的影响,包括显微孔洞类型,孔洞特征分布规律,孔洞最大尺寸预测方法和含孔洞材料疲劳寿命预测方法;通过对疲劳寿命预测模型的回顾,发现目前含显微孔洞铸件疲劳寿命预测方法还不成熟;展望了显微孔洞特征对疲劳寿命影响的研究。提出未来应该依靠先进光源展开原位疲劳实验或者分子动力学仿真来研究孔洞疲劳失效微观机理,建立考虑不同显微孔洞特征参数,以及不同孔洞间相互影响的疲劳寿命定量预测模型。     

Prediction of combined cycle fatigue life of TC11 alloy based on modified nonlinear cumulative damage model

The nonlinear cumulative damage model is modified to have high prediction accuracy when the high-low cycle stress frequency ratio m is large (m ≥ 500). The low cycle fatigue (LCF) tests, high cycle fatigue (HCF) tests and combined high and low cycle fatigue (CCF) tests of TC11 titanium alloy were carried out, and the influencing factors of CCF life were analysed. The CCF life declines with the decrease of the ratio of high-low cycle stress frequency m. Both linear and nonlinear cumulative damage models are used to predict the CCF life. The CCF life prediction error of the linear cumulative damage model is great and the predictions tend to be overestimated, which is dangerous for engineering application. The accuracy is relatively high when the high-low cycle stress frequency ratio m ≤ 500. The accuracy of nonlinear cumulative damage model is higher than that of linear model when the high-low cycle stress frequency ratio m ≥ 500. Based on the relationship between high cycle average stress σ_major and material yield limit σ_p,0.2, a correction term is added to the nonlinear cumulative damage model and verified, which made the modified model more accurate when m ≥ 500.     

航空钛合金抗疲劳表面改性技术研究进展

重点介绍了提高钛合金疲劳性能的表面改性技术的最新研究进展。主要从喷丸强化、激光冲击强化、挤压、滚压、离子注入、滚磨光整加工、水射流喷丸等典型方式对钛合金的加工能力、作用机理,以及加工后零件的残余应力水平和疲劳性能等方面进行了阐述,以期为航空钛合金零件的表面改性提供借鉴。     

典型高强铝合金材料的点腐蚀坑前缘特征的研究

针对2024和7804两种典型高强铝合金的点腐蚀坑的前缘微观结构进行了研究.发现:在3.5%NaCl溶液腐蚀环境下,经过不同的腐蚀时间,这两种铝合金材料的点腐蚀坑在扩展速度、坑的形态类型、腐蚀坑的前缘微裂纹及形貌特征等方面具有明显不同.对于点腐蚀坑前缘特征的形成机理以及点腐蚀坑对这两种材料的疲劳性能影响也进行了分析讨论.同时将分形理论应用于腐蚀坑前缘的特征分析,求得了腐蚀坑截面轮廓分形维数.     

铝合金腐蚀疲劳机理与腐蚀疲劳寿命分析方法综述

概括了影响高强度铝合金腐蚀疲劳的环境与力学因素，阐述了铝合金腐蚀疲劳裂纹形成与扩展的机理，介绍了结构腐蚀疲劳裂纹形成与扩展寿命的分析方法，为腐蚀环境下飞机铝合金结构的抗疲劳设计、耐久性与损伤容限评估提供参考。