20kHz频率下DZ125定向凝固高温合金的超高周疲劳行为研究

采用超声疲劳试验技术,研究了DZ125定向凝固高温合金在频率20kHz、载荷比R=-1下的超高周疲劳失效行为.结果表明:DZ125合金在循环周次大于108下仍发生了疲劳断裂;扫描电镜观察表明,DZ125合金的超高周疲劳裂纹均起源于试样的表面,经疲劳断口定量计算,超高周疲劳的萌生寿命约占总寿命的97.3%;电子背散射衍射(EBSD)分析表明,在超声振动应力的作用下,DZ125合金晶体发生了旋转,外加应力幅越大,晶体旋转的角度会略微增大,疲劳变形区域也略微增大,接近疲劳瞬断区的变形层深度最低;超高周疲劳试验结果经频率修正后,S-N曲线与常规低频疲劳的S-N曲线能很好地衔接.     

20kHz下TC17钛合金超高周疲劳性能研究

应用基于压电超声疲劳试验技术开发的20kHz弯曲疲劳试验系统,完成了室温下TC17合金超高周疲劳试验.结果表明:在疲劳循环大于107周次时,试样仍会发生疲劳断裂,疲劳强度随循环次数的增加而下降,并不存在明显的疲劳极限.TC17合金的应力-寿命(S-N)曲线在107~109周次的范围内为连续下降型.光学显微镜发现,TC17合金的疲劳破坏主要起源于试样表面.当存在夹杂物时,疲劳裂纹从距离表面很近的夹杂物处萌生,能谱分析表明夹杂物的成分主要是铝的氧化物.      

IC10单晶高温合金室温和750℃高周疲劳行为

在涡轮叶片服役过程中,疲劳是其失效的重要原因之一,而已有研究主要针对不同应变速率下IC10合金1 100℃低周疲劳性能展开,本文研究定向凝固IC10单晶高温合金静态空气介质环境下室温和750℃高周疲劳性能。在应力比R=-1、f≈83.3Hz条件下,进行高周疲劳试验,并利用扫描电镜对疲劳断口进行观察;基于试验观测结果,讨论室温和750℃下IC10单晶高温合金高周疲劳性能差异的内在机制。结果表明:IC10单晶室温疲劳强度为288 MPa,750℃疲劳强度为416 MPa;裂纹萌生于试样表面或近表面缺陷处,断口主要由裂纹萌生区、稳态扩展区和组成。     

化学热处理对40Cr钢表象疲劳极限影响的定量化研究

选用40Cr结构钢制备光滑试样和缺口试样(Kt=2.4),经调质并采用氮化进行表面强化。在旋转弯曲疲劳试验机和扭转疲劳试验机上测定氮化和未氮化试样在应力比R=-1条件下5×106循环周次的表象疲劳极限。试验结果表明,氮化后疲劳缺口敏感系数q趋近0,本文用疲劳裂纹萌生的微细观过程理论对此作了合理清晰解释。氮化使光滑试样的表象疲劳极限提高36%,使缺口试样的表象疲劳极限提高96%,并将疲劳裂纹源从表面"挤到"次表面层。在试验研究和理论分析的基础上,从疲劳性能方面提出了表面强化工艺的优化判定准则:若表面强化后疲劳裂纹源位于表面强化层下基体,或者其表象疲劳极限达到按"表面/内部疲劳极限概念"预测的数值,则此表面强化工艺已达到优化。     

航空用Al-Cu-Mg铝合金疲劳行为研究

采用轴向加载疲劳试验方法,研究了航空用2124-T851铝合金板材不同取样方向、试样形式以及实验应力比下的疲劳性能;并通过金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)分析了该合金的显微组织和疲劳断口形貌。结果表明:2124-T851铝合金板材具有良好的耐疲劳损伤性能,疲劳极限随应力比的增加而增大;缺口的存在大大降低了材料的疲劳极限,光滑试样(K t=1)的疲劳极限大约是缺口试样(K t=3)的2倍;板材横向疲劳极限高于纵向疲劳极限,且应力比越小差异越大。断口形貌具有典型的疲劳断口特征,由疲劳源区、疲劳裂纹稳定扩展区和快速断裂区三部分组成,裂纹萌生一般位于表面夹杂或缺口等缺陷引起的应力集中处。     

应力比对Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V合金疲劳裂纹扩展行为的影响

采用三点弯曲试样,对钛合金Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V在R=0.1,0.3和0.5三个应力比条件下的疲劳裂纹扩展行为进行研究,得到相应实验条件下的疲劳裂纹扩展速率,并结合断口分析探讨应力比R对该合金疲劳裂纹扩展行为和断裂机理的影响。结果表明:随着应力比R增大,Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V合金在同一ΔK时的疲劳裂纹扩展速率增大,裂纹扩展对应的应力强度因子ΔK范围和扩展门槛值ΔK_(th)减小;三个应力比R作用下试样的疲劳断口表面均可见一些疲劳台阶和二次裂纹;随着应力比R的增加,试样断口表面粗糙度增加,二次裂纹减小;在R=0.1,0.3和0.5三个应力比条件下的疲劳断裂均表现为穿晶断裂。     

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.      

2524-T3铝合金铆钉填充锪窝孔疲劳特性研究

2524-T3铝合金被认为是目前综合性能最好的飞机蒙皮用铝合金,研究其在疲劳载荷状态下的力学性能对材料的安全使用具有重要的意义。通过疲劳试验研究2524-T3铝合金铆钉填充锪窝孔试样在一种典型应力比、不同载荷水平下的疲劳性能,得到铆钉填充锪窝孔试样疲劳裂纹寿命的p-S-N曲线,同时借助扫描电镜观察疲劳裂纹的萌生和扩展行为。研究结果表明：2524-T3铝合金铆钉填充锪窝孔试样具有良好的抗疲劳损伤性能;在指定疲劳寿命条件为3×106周次下,试样在室温轴向疲劳加载条件下的条件疲劳极限为108MPa;疲劳断口由疲劳源区、裂纹扩展区及瞬断区组成。     

GH4169合金自然萌生小裂纹扩展行为的试验研究

为了研究镍基GH4169高温合金自然萌生小裂纹的扩展行为,采用单边缺口拉伸(SENT)试样进行了室温下应力比R=0.1,0.5的小裂纹扩展试验。在长裂纹近门槛值区域,观察到明显的小裂纹效应,疲劳小裂纹扩展寿命占全寿命的大部分。利用扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析仪(EDS)对试样断口表面进行微观分析,结果表明,疲劳小裂纹起始于合金中的夹杂(Ti(C,N)或Nb(C,N)),并且倾向于以半圆形向试样内部扩展。试样的断裂模式存在由晶体学小平面断裂向疲劳条带断裂的转变,该断裂模式转变处对应小裂纹扩展速率曲线上裂纹加速扩展前的急速降低点。     

喷丸对DZ4 合金旋转弯曲疲劳断裂特征的影响

对喷丸前后DZ4高温合金旋转弯曲高周疲劳断口的断裂特征进行了观察.结果表明,室温和高温(820℃)时,未喷丸的DZ4合金高周疲劳裂纹均萌生于试样表面以及与表面相连的铸造缺陷或碳化物处.Kt=1时,疲劳断口为点源,源区存在滑移平面和滑移台阶;随着应力集中水平的升高(Kt=2,Kt=3),疲劳断口向多源和线源发展,源区滑移面变小甚至消失;随着温度的升高,断口源区滑移特征明显.喷丸后,疲劳裂纹源内移,裂纹萌生于试样次表面的晶体内部或铸造缺陷处.带缺口试样裂纹源减少,起源区域缩小,出现明显的主、次疲劳源.实验证明,喷丸可降低DZ4合金表面和缺口敏感性,对裂纹萌生有抑制作用,可提高材料的疲劳性能,随着温度升高,喷丸的强化作用逐渐减弱,但在820℃仍有强化作用.     

Effect of stress ratio on HCF and VHCF properties at temperatures of 20 °C and 700 °C for nickel-based wrought superalloy GH3617M

This paper attempts to investigate the effects of stress ratio and high temperature on the HCF(high-cycle-fatigue) and VHCF(very-high-cycle-fatigue) behaviors of nickel-based wrought superalloy GH3617 M. Fatigue tests over the full HCF and VHCF regimes were conducted on superalloy GH3617 M subjected to constant-amplitude loading at five stress ratios of -1, -0.5, 0,0.4, and 0.8 in environments of 20 °C and 700 °C temperatures. From experimental observation and fractographic analysis, fatigue mechanisms were deduced to reveal the synergistic interaction between high temperature and stress ratio on the HCF and VHCF behaviors of superalloy GH3617 M. A phenomenological model was crafted from available fatigue design knowledge to evaluate the synergistic interaction, and a good correlation between predictions and experiments has been achieved.     

圆弧形榫连结构高/低循环疲劳试验研究

针对大涵道比涡扇发动机风扇叶/盘榫连结构,提出了缩比为1:2.5的圆弧形榫连结构疲劳试验方案,分别设计了高、低循环疲劳试验件及其夹具,并进行了疲劳试验验证.为了简化试验,低循环疲劳试验采用拉-拉循环加载试验方案,高循环疲劳试验则通过测定试验件1阶弯曲振型下的疲劳极限来实现.在低循环疲劳试验中,试验件结构的裂纹萌生寿命远大于60000次循环,具备足够的抗低循环疲劳能力;在高循环疲劳试验中,试验件结构在设计目标为207 MPa下通过了3×107循环的疲劳寿命考核.结果表明:圆弧形榫连结构的高、低循环疲劳试验装置设计合理,实现了预期的试验目标;所设计的圆弧形榫连结构具有良好的抗疲劳性能,满足大涵道比发动机的寿命设计目标;失效形式为由微动磨损引起的疲劳裂纹萌生和扩展.     

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.      

A357-T6铸造铝合金疲劳特性研究

研究了A357-T6铸造铝合金在室温大气中正弦交变载荷下,应力比分别为r=-1,0.05和0.4时的疲劳特性.试验结果表明,A357-T6铸造铝合金的疲劳强度随应力比的增加而显著增加,疲劳极限分别是,应力比r=0.4时约为135MPa;应力比r=0.05时95MPa;而应力比为r=-1时70MPa.疲劳裂纹发生于试件表面或次表面铸造缺陷.裂纹沿着树状晶边界扩展.     

TC-11钛合金高低周复合疲劳及损伤累积研究

本文系统地研究了TC-11钛合金在室温和高温下高、低周复合疲劳行为,其中包括高低周循环应力比m、试验温度、缺口试样的预应力超载对复合疲劳寿命N_fL的影响。结果表明:复合疲劳寿命随m值的增加而明显降低,尤其是m=35时,其N_fL降低十多倍,并在m-lgN_fL曲线上,当m=10时出现一个拐点。在相同的m值和低周应力为900MPa时,当温度从室温升高到150℃时,其N_fL下降约1/3,当温度继续升高到300℃时,其N_fL接近零。此外,还提出了复合疲劳的损伤累积模型,1/N_fL=1/NL+n/N_h。      

高低周复合载荷对TC11钛合金疲劳性能的影响

为了解高周振动应力对TC11钛合金疲劳性能的影响,进行了TC11的低周疲劳、高周疲劳、以及高低周复合疲劳试验.试验结果表明:高低周复合循环降低了TC11钛合金的抗疲劳性能;复合循环载荷中,高周平均应力水平 σ _major和应力比 R _minor对高低周复合寿命有较大的影响.采用扫描电子显微镜(SEM)比较分析了不同类型载荷下的断口宏观和微观形貌特征,高低周复合疲劳断口与高周断口有较明显的区别,高低周复合载荷中的低周循环引起的较大滑移是引起疲劳寿命降低的主要原因.      

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。      

榫连接结构高温低周微动疲劳试验

针对航空涡扇发动机压气机叶片/轮盘连接结构,设计了一种燕尾榫结构高温微动疲劳试验加载装置,开展了TC11钛合金在200℃及500℃下的微动疲劳试验。通过动态位移及动态应变法实现对燕尾榫微动疲劳萌生寿命的监测。试验中发现微动疲劳裂纹均萌生在燕尾榫接触区域的下边缘,且接触表面存在大量的微动磨屑,属于典型的微动疲劳失效形式。试验结果表明:温度环境对微动疲劳寿命的影响较为明显。随着试验温度的升高,试验件的微动疲劳寿命会逐渐减小。      

TC17合金弯曲振动超高周疲劳试验

针对航空发动机压气机叶片用TC17合金的超高周疲劳性能数据需求,自主设计超高频板材试样并在电动振动台上开展弯曲振动疲劳测试,获取了109循环数范围内的超高周疲劳S-N曲线,并通过升降法得到了该合金109循环数对应的疲劳极限强度,在实际测试过程中有效激振频率达到1756 Hz左右。此外,与相同材料的常规疲劳试验结果进行了对比分析。结果表明:超高频弯曲振动疲劳试验结果与常规疲劳试验结果的变化趋势保持一致,尤其是在超高周寿命区间的测试结果的接近程度较高;超高频弯曲振动试验方法在提高测试效率的同时保证了结果的可靠性。