TC4钛合金焊接接头疲劳损伤演变模型研究

对航空发动机焊接式整体叶盘结构,用损伤力学理论研究焊接接头低周疲劳损伤演化规律,以带内变量的热力学为基础,根据低周疲劳损伤特性及耦合的应变等价原理,建立了焊接低周疲劳损伤演变模型。用控制应变的疲劳试验,对航空发动机中常用的TC4钛合金焊接试件进行了疲劳损伤的测量,验证了损伤演变模型。模型中的参数具有明确的物理意义,且容易测量。研究结果对航空发动机焊接式整体叶盘寿命预测有参考价值。      

高温低周应变疲劳的三参数幂函数能量方法研究

 对Manson-Coffin方程、拉伸滞后能寿命模型和三参数幂函数公式进行了应用研究，提出了三参数幂函数能量方法，并用某高温合金900  ℃低周疲劳数据进行了验证研究。通过寿命预测分散带和标准差的比较发现：三参数幂函数能量方法的低周疲劳寿命预测能力较Manson-Coffin方程和三参数幂函数公式的寿命预测能力有较大的提高；用三参数幂函数能量方法确定的循环应力-应变曲线比用Manson-Coffin方程处理得到的塑性应变分量确定的循环应力-应变曲线更能反映低周疲劳过程中应力和应变之间的关系。     

一种镍基单晶合金多轴低周疲劳损伤参量

用损伤应变能释放率作为热力学广义力描述正交各向异性材料的疲劳损伤过程,定义了含有3个弹性常数的镍基单晶应力三轴性因子,它不仅反映多轴载荷下的复杂应力状态,还显示正交各向异性材料偏轴受载时存在的正应力与剪应力的耦合效应,是对各向同性材料应力三轴性因子的拓展。用镍基单晶应力三轴性因子修正Mises应变范围作为疲劳损伤参量,引入损伤驱动力循环特征参数反映循环载荷的交变特性,提出了单晶合金低周疲劳损伤模型。利用DD3和CMSX-2单晶合金低周疲劳试验数据,采用多元线性回归分析方法拟合疲劳损伤模型参数,试验所得数据都落在2倍和2.5倍偏差分布带内。      

应变控制下NEPE推进剂非线性疲劳损伤

为研究高能硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂的非线性疲劳损伤特性,基于损伤力学和黏弹性理论,建立了一种非线性疲劳损伤模型.该模型考虑了材料疲劳过程中刚度衰减的特征.建立的疲劳损伤模型,通过动态热机械分析仪(DMA)进行5组不同应变水平下的疲劳实验,获得模型参数,并对模型进行验证,利用电荷耦合器件图像传感器(CCD)进行显微观察,分析了应变加载历史对NEPE推进剂微观上的影响.结果表明:提出的损伤演化模型能够很好地描述NEPE推进剂应变控制下的非线性疲劳损伤;定应变往复拉伸造成了推进剂颗粒与基体的脱湿,在循环初期脱湿速度较快,随着循环周期增加,脱湿程度逐渐趋于稳定.      

损伤力学方法在材料低周疲劳试验中的应用研究

考察了低周疲劳过程中的弹性模量和应力随循环次数的变化.研究表明:可以用弹性模量和应力的变化来反映材料的低周疲劳损伤过程.对没有明显循环稳定阶段并表现为循环软化响应行为的材料, 不适合用应力的变化来定量的反映材料低周疲劳的损伤过程.用弹性模量随循环次数的演化关系得到了不同应变水平下材料的疲劳裂纹萌生寿命, 并用三参数幂函数方程对应变与疲劳裂纹萌生寿命进行了拟合处理, 得到了应变与疲劳裂纹萌生寿命方程.      

基于三参数幂函数的低周疲劳寿命预测方法研究

为了找到能够更好地预测材料低周疲劳寿命的方法,基于三参数幂函数公式,对引起材料疲劳损伤的原因进行分析,提出了描述损伤能密度与疲劳寿命关系的寿命预测模型。采用高温合金与钛合金等多种材料的低周疲劳试验数据对提出的模型进行分析验证,并将分析结果与传统的Masson-Coffin模型和三参数幂函数公式的分析结果进行对比。结果表明:所提出的损伤能密度模型对不同条件下的材料数据的拟合效果较好,七种不同条件下的材料数据拟合结果中,有六种的相关系数大于0.9,且所有条件下的寿命预测点都在2倍分散带以内,精度高于另两种模型,并且该模型能够确切地描述引起材料低循环疲劳损伤的原因,简洁明了。     

一种确定低周应变疲劳应变-寿命曲线的方法

基于Manson-Coffin方程处理低周应变疲劳应变-寿命曲线,提出了一种在短寿命区用低周应变疲劳试验数据,长寿命区(5000周～50000周)用高周疲劳试验数据联合确定材料的高温低周应变疲劳应变-寿命曲线的方法.联合处理方法的应用将不再需要进行应变控制的长寿命小应变的疲劳试验,节约了试验经费,缩短了试验周期.用GH141合金760℃的低周应变疲劳和高周疲劳数据对该方法进行了验证,验证结果发现:联合处理方法和单纯的Manson-Coffin方程处理得到的应变-寿命曲线吻合很好.联合处理方法可以用来确定高温低周应变疲劳应变-寿命曲线.     

非对称循环载荷下镍基单晶合金低周疲劳寿命预测

在680℃温度下进行[001]、[011]和[111]三种取向的DD3单晶合金光滑试样非对称循环载荷低周疲劳试验,结果表明,晶体取向对DD3单晶合金的应变疲劳寿命有显著的影响,[001]取向寿命最长,[111]取向寿命最短.用晶体取向函数修正总应变范围可以在很大程度上消除晶体取向对疲劳寿命的影响.引人参量k表示载荷循环特性对疲劳寿命的影响,它与循环寿命之间呈幂函数关系.根据影响单晶叶片低周疲劳寿命的主要因素,提出循环塑性应变能的计算方法,构成塑性应变能的主要因素应包括总应变范围、取向函数和载荷循环特性等影响参量,它们与塑性应变能之间呈幂函数关系.用塑性应变能作为损伤参量导出单晶合金低周疲劳寿命预测模型,利用低周疲劳试验数据进行多元线性回归分析,所有试验数据均落在2.6倍偏差的分布带内.     

考虑应力松弛的涡轮盘蠕变-疲劳寿命可靠性分析方法

提出了考虑材料蠕变应变模型参数分散性及应力松弛效应的涡轮盘蠕变-疲劳寿命可靠性分析方法。首先建立蠕变应变概率模型;然后采用响应面法分别回归蠕变和疲劳损伤函数;通过蒙特卡洛法模拟总损伤分布及寿命可靠度。同时提出给定可靠度的寿命计算方法和两种考虑应力松弛的涡轮盘蠕变-疲劳寿命可靠度分析简化方法。通过算例验证了方法的有效性。     

基于塑性应变能的中低周疲劳概率寿命模型

由于材料、尺寸以及载荷等的分散性,涡轮盘疲劳寿命存在较大的分散性。在充分考虑材料加卸载应力、应变及应力比对疲劳寿命影响的基础上,提出了一种适用于中低周疲劳的塑性应变能概率寿命模型。该模型在考虑材料、尺寸和载荷等导致寿命分散的因素的基础上,重点考虑了循环应力应变曲线的分散性,结合根据应力比的二次插值,获得了插值范围内任意应力比下的塑性应变能损伤参量与疲劳寿命的关系。运用所提概率寿命模型结合响应面法与蒙特卡洛法对某涡轮盘螺栓孔模拟试件进行了概率寿命分析。结果显示,模拟试件的计算结果与试验结果的中位寿命仅相差022%,寿命分散系数相差581%,说明本概率寿命模型概率寿命预估精度高。      

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。     

定向凝固DZ4合金的低周疲劳行为与稳定循环应力

对定向凝固DZ4合金760℃和800℃下的低周疲劳和稳定循环应力应变行为进行了研究,并结合断口观察试验结果,对其疲劳裂纹的萌生与扩展进行了分析。结果表明,DZ4合金760℃和800℃下的低周疲劳属应力疲劳,其损伤以弹性损伤为主,弹性损伤与疲劳寿命具有很好的相关性。加载频率对DZ4合金760℃和800℃下的稳定循环应力均具有一定的影响,尤其是800℃时,各应变下的稳定循环应力均随加载频率的升高而减小。定向凝固DZ4合金高寿命低周疲劳裂纹易于萌生于试样内部或亚表面的柱状晶界,其疲劳裂纹的稳定扩展也较难形成典型的疲劳条带。     

一种镍基单晶和定向结晶合金的疲劳寿命模型

针对镍基单晶和定向结晶合金的高温低循环疲劳/蠕变寿命预测问题,用晶向函数修正总应变范围以考虑疲劳寿命的各向异性,并综合考虑了最大应力、平均应力、应力范围以及峰值保持等载荷因素对寿命的贡献,在循环损伤累积思想的基础上发展了一种低循环疲劳/蠕变寿命预测方法.利用定向结晶合金DZ125、单晶合金DD3和DD6在不同温度、不同取样方向和不同保载形式作用下的试验结果,对方法进行了验证,预测与试验寿命相比基本落在2倍分散带内,表明该方法能更好地适应叶片材料各向异性与低循环疲劳/蠕变载荷的情况.      

Stress-controlled LCF experiments and ratcheting behaviour simulation of a nickel-based single crystal superalloy with [001] orientation

Uniaxial ratcheting behaviour and low cycle fatigue (LCF) failure mechanism of nickel-based single crystal superalloy DD6 with [001] orientation are investigated through the stress-controlled LCF tests with stress ratio of −1. Then the deformation behaviour during the whole-lifetime from the beginning of the experiment to the fracture of the specimen, as well as the fractographic/metallographic morphology, are compared with the strain-controlled LCF experimental results. Through the scanning electron microscope (SEM) observations, it is shown that the failure characteristics under stress-controlled LCF loading are similar with those under strain-controlled loading. Nevertheless, unlike strain-controlled LCF loading, even under fully reversed cycle loading for stress-controlled LCF, DD6 shows significant ratcheting behaviour due to the tension-compression asymmetry. In addition, the LCF lifetimes under stress control are significantly shorter than the LCF lifetimes under strain control, and the culprit might be the detrimental effect of ratcheting strain on LCF lifetime. Based on these phenomena, an improved crystal plasticity constitutive model on the basis of slip-based Walker constitutive model is developed through modifying the kinematic hardening rule in order to overcome the inaccurate prediction of decelerating stage and stable stage of ratcheting behaviour. Furthermore, combining the continuum damage mechanics, a damage-coupled crystal plasticity constitutive model is proposed to reflect the damage behaviour of DD6 and the accelerating stage of ratcheting behaviour. The simulation results for the stress-controlled LCF deformation behaviour including the whole-lifetime ratcheting behaviour show good agreement with the experimental data.     

单晶高温疲劳损伤参量的选取与寿命建模

高温疲劳损伤是引起单晶涡轮叶片破坏的主要因素之一。利用不同试验条件下DD6标准试件的低周疲劳和蠕变-疲劳试验结果,结合基于滑移系的黏塑性应力-应变分析,分别研究了晶体取向、应变范围、平均应变以及保载时间等对单晶高温疲劳损伤的影响机制。进而采用滑移剪应变最大的滑移系作为临界滑移系,选取临界滑移系上的最大Schmid应力、最大滑移剪应变率、循环Schmid应力比以及滑移剪应变范围等细观参量作为损伤参量,建立了一种新的基于临界平面的循环损伤累积（CDA）模型。结果表明,该模型对于DD6高温疲劳寿命预测精度基本在3倍分散带内。     

DZ408合金低周疲劳行为

研究了 DZ408合金在950℃,1000℃和1050℃,应变比为0．05条件下的低周疲劳性能。结果表明：平均应变为正时,非对称循环应变控制会产生平均应力松弛现象,且随着温度与应变幅的增大,平均应力松弛速率增大;在950℃,1000℃和1050℃时,材料具有 Massing 特性,采用修正的 SWT 模型能很好地预测不同温度下应变比为0．05的低周疲劳寿命,且给出了修正 SWT 模型参数随温度变化的关系式Δεt 2σmax ＝（－38．9＋0．101 T）N（0．96－0．0014T）。     

低周疲劳预损伤对TA11合金高周疲劳强度的影响

试验研究了预先经历一定次数的低周疲劳(low cycle fatigue, LCF)对TA11合金高周疲劳(high cycle fatigue,HCF)强度的影响.考虑了LCF试验中循环最大应力、应力比和寿命比例等主要参数,根据步进法,利用旋转弯曲疲劳试验,研究了LCF预损伤对标准试件HCF强度的影响规律.结果表明:当循环最大应力为900MPa时,LCF载荷中靠前的循环产生的塑性应变大,因此加载较少的LCF预损伤也会降低该合金HCF强度;不同应力比的LCF预损伤都会降低HCF强度;当LCF预损伤的最大应力远小于材料的屈服强度时,LCF预损伤对HCF强度的影响较小,而当LCF预损伤的最大应力接近或大于材料的屈服强度时,则必须考虑LCF预损伤对TA11合金HCF强度的影响.