喷丸强化7475-T7351铝合金的小裂纹行为和寿命预测

对7475-T7351铝合金进行了喷丸强化和未喷丸(机械加工后抛光)单边缺口拉伸(SENT)试样的小裂纹扩展行为试验研究,利用权函数法(WFM)和叠加原理分析计算了三维表面小裂纹在外加载荷和残余应力场联合作用下的应力强度因子(SIF),并将其加入到基于裂纹闭合的小裂纹扩展分析程序FASTRAN3.9中,采用该程序预测了均布外载荷σmax=160MPa、R=0.06下,喷丸强化和未喷丸SENT试样自然萌生裂纹扩展的a-N曲线。研究发现喷丸强化残余压应力对疲劳小裂纹扩展速率的降低是疲劳寿命延长最主要的原因,采用基于裂纹闭合的小裂纹扩展分析方法能够较好地定量描述喷丸强化的疲劳延寿作用。     

湿喷丸处理Ti-6Al-4V合金微动磨损行为影响

采用湿喷丸技术对Ti-6Al-4V合金进行表面强化处理,研究了部分滑移、混合滑移和完全滑移等不同状态下钛合金样品的微动磨损行为,从微动状态角度探讨喷丸强化对钛合金微动磨损行为的影响规律。试验结果显示,喷丸处理对于完全滑移状态下Ti-6Al-4V合金的微动磨损行为影响较小;而在混合滑移状态时,喷丸处理使得微动磨痕的塑性变形积累区消失,有效抑制局部疲劳损伤造成的微裂纹萌生。这是因为喷丸引入加工硬化作用使材料表层局部强度提高,进而改善局部疲劳损伤。     

不同喷丸强度对TC17钛合金抗疲劳性能影响

为提升TC17钛合金抗疲劳性能,对其表面进行喷丸处理。通过旋转弯曲疲劳试验、断口分析、残余应力场分析、表层组织分析及喷丸前、后钛合金表面完整性分析等手段,开展不同喷丸强度对TC17钛合金抗疲劳性能影响研究。结果表明：喷丸强化后钛合金表面粗糙度增大,由0.315μm变为0.5～1.0μm;表层发生塑性变形,晶粒发生细化;表面引入残余压应力,残余压应力层深约为125～151μm,最大残余压应力位于层深30μm附近处。0.3 mm·N喷丸状态旋转弯曲试样疲劳寿命优于其他状态试样,在740 MPa和840 MPa应力水平下,分别比未喷丸状态试样疲劳寿命提升4.5倍与7.5倍。疲劳寿命提升归因于试样表层晶粒细化、高密度位错组织及残余压应力对疲劳裂纹萌生与扩展的抑制作用。0.35 mm·N与0.4 mm·N喷丸状态试样疲劳寿命下降与喷丸强度过大时试样表面粗糙度高,并有脱层及微裂纹生成有关。     

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.     

激光喷丸对7075铝合金搅拌摩擦焊接头的影响

以7075铝合金试样的搅拌摩擦焊接头为对象,利用激光喷丸和常规喷丸工艺对其进行后续处理,通过试验对比分析了激光喷丸工艺对表面粗糙度、显微硬度、接头残余应力、裂纹扩展、疲劳寿命的影响。结果表明,经激光喷丸处理的搅拌摩擦焊接头的表面粗糙度远小于常规喷丸处理的接头表面,而对接头显微硬度的影响差异不大。激光喷丸可改变接头的残余应力分布,是增强搅拌摩擦焊接头抗疲劳性的有效方法,对其他焊接接头及构件的激光喷丸处理具有一定的参考价值。     

桥式试件微动疲劳寿命预测与试验研究

对钛合金桥式试件进行数值分析与微动疲劳试验研究,提出了用MSWT参数预测裂纹萌生位置的方法和基于MSWT参数的微动疲劳寿命预测模型。试验结果与断口分析表明:疲劳裂纹出现在微动试件的接触区边缘,与MSWT参数预测的裂纹萌生位置一致。利用桥式试件的微动疲劳试验数据,获得了寿命预测模型中的相关参数,并采用相关文献中燕尾榫连接结构的试验结果对该预测模型进行了验证。     

TC11钛合金微动疲劳裂纹萌生预测分析

针对航空发动机叶片与盘榫连接结构简化模型的微动失效形式,建立了基于临界平面法预测微动疲劳裂纹萌生的控制模型。该模型引入综合考虑多种微动疲劳影响因素的微动损伤参量CSE(微动综合损伤参量),建立了微动疲劳特性的分析流程,对微动疲劳裂纹的萌生方向、位置和寿命进行了估算。应用CSE控制模型,对失效的TC11钛合金微动疲劳试件的裂纹萌生进行预测,通过比较不同损伤参量的预测结果,验证了CSE预测裂纹萌生的有效性。     

LY12CZ铝合金微动损伤机制的研究

通过对LY12CZ铝合金螺栓联接试件的微动损伤试验 ,完整提出了铝合金的微动磨损损伤与微动疲劳损伤的机制。在铝合金的微动磨损机制方面 ,微动损伤区表面的扫描电镜图和化学成分分析表明 ,铝合金的微动磨损是一个复杂过程 ,包括了粘着、磨料、表面疲劳、氧化四个子过程。着重研究了这四个子过程产生的先后顺序以及对微动磨损的影响 ;在铝合金的微动疲劳机制方面 ,分析了铝合金产生扩展性微动疲劳裂纹的原因和过程 ,并根据试验结果说明了微动疲劳裂纹产生的位置以及裂纹扩展的方向等。     

喷丸强化对DZ4定向凝固高温合金高温旋转弯曲疲劳性能的影响

对DZ4定向凝固高温合金进行喷丸强化。利用表面轮廓仪、硬度计和扫描电镜等设备研究了表面粗糙度、显微硬度、组织结构等表面完整性的变化。在820℃高温下进行了光滑和缺口试样的旋转弯曲疲劳试验。结果表明,由于喷丸强化效应和弱化效应基本相当,喷丸强化工艺对提高DZ4定向凝固各向异性材料光滑试样高温疲劳性能效果不显著;但对于具有应力集中的缺口试样,由于喷丸弱化作用引起的应力集中效应被缺口应力集中所掩盖,喷丸强化效果比较显著。     

表面完整性对FGH95合金高温疲劳性能的影响

金属构件的加工表面完整性状态对其整体疲劳性能具有显著影响。本工作研究了磨削、磨削+铸钢丸喷丸、磨削+陶瓷丸喷丸和磨削+复合喷丸4种表面加工集成方法对FGH95合金高周疲劳性能的影响规律。采用表面粗糙度仪、X射线残余应力测试仪和显微硬度计分别对不同复合加工方法试样的表面粗糙度、表面残余应力分布和硬度梯度等表面完整性参数进行了表征;采用旋转弯曲疲劳试验机测试了缺口(应力集中系数Kt=1.7)试样的旋转弯曲疲劳,研究不同表面完整性状态对缺口试样高温疲劳寿命的影响规律。结果表明:相对磨削,磨削+铸钢丸喷丸、磨削+陶瓷丸喷丸和磨削+复合喷丸三种方法均可显著提高试样的高温疲劳寿命;其中,磨削+复合喷丸方法获得了最优的表面残余应力场、硬度梯度、表面粗糙度和高温疲劳寿命增益效果。     

燕尾榫联接结构微动疲劳裂纹的检测技术

自行研制了燕尾榫联接结构微动疲劳裂纹检测系统,利用应变片感知将要产生疲劳裂纹处周围的应变变化,把该应变信号经过A/D转换后送到PC机进行实时分析。该系统能比较准确捕获到疲劳裂纹出现的时间,有效地观测到疲劳裂纹的萌生和扩展过程。微动疲劳试验结果表明该方法简单实用、检测准确、效果明显,解决了疲劳裂纹观测难、捕获裂纹时刻延迟、工作强度大等问题。      

转动微动磨损条件下7075铝合金的局部疲劳行为研究

在新型转动微动磨损试验机上,进行了7075铝合金与GCr15钢球配副在不同角位移幅值下的转动微动磨损实验。在磨痕表面形貌及剖面微观分析的基础上,研究了转动微动磨损的局部疲劳裂纹萌生和扩展行为。结果表明:转动微动磨损条件下疲劳裂纹主要分布于混合区,大量的裂纹向基体内部扩展,混合区材料的失效形式主要表现为裂纹的萌生和扩展,并伴随因疲劳磨损所致的片状剥落;在部分滑移区,疲劳裂纹萌生后平行于表面方向扩展,微动损伤主要表现为材料的轻微剥落;在滑移区,在局部接触疲劳和磨损的竞争过程中,疲劳效应减弱且材料磨损占支配地位。此外,疲劳裂纹的形成与转动微动的中心隆起有密切关系。     

重型燃气轮机压气机第一级转子叶片断裂分析

为了明确某燃气轮机压气机第1级转子叶片在工作过程中断裂失效的性质和产生原因,通过外观检查、断口分析、表面检查、成分分析、组织检查、硬度测试和强度计算等手段进行分析。结果表明:故障叶片为疲劳断裂;在工作过程中叶尖与机匣处理环异常碰摩,使叶片承受非正常冲击载荷是导致故障叶片产生疲劳裂纹的主要原因;榫齿出现微动磨损及其未进行喷丸强化对裂纹萌生起促进作用。提出了对叶片榫齿工作面进行喷丸表面强化,控制合理的叶片与机匣处理环之间的间隙的改进建议,避免类似故障发生。     

ZSGH4169榫连接结构微动疲劳试验

针对航空发动机热端部件涡轮盘榫连接结构微动疲劳现象展开研究,开展了ZSGH4169镍基高温合金榫连接结构在不同温度和不同载荷下的微动疲劳试验。试验发现:在不同工况下,微动疲劳裂纹均产生在榫槽接触区的下缘,且两侧均有裂纹产生。榫连接结构微动疲劳寿命随着试验温度的升高,微动疲劳寿命显著降低;随着载荷的增加,微动疲劳寿命显著降低。温度和载荷都会对滑移幅值产生影响,且微动疲劳寿命随着滑移幅值的增加而降低。使用包含微动疲劳参数的高温微动疲劳寿命预测模型来对ZSGH4169微动疲劳试验进行验证,预测寿命均在2倍误差带内。      

钛合金燕尾榫高温低周微动疲劳寿命预测

针对钛合金燕尾榫的高温低周微动疲劳寿命预测问题,通过讨论试验载荷和温度对燕尾榫微动疲劳寿命的影响,发展 了考虑温度影响的修正损伤参量,即拉伸型等效损伤参量SWT和剪切型等效损伤参量FS,建立了能综合考虑温度和损伤参量影响 的燕尾榫高温微动疲劳寿命模型,并拟合出某TC11钛合金燕尾榫连接结构的微动疲劳寿命模型中所需的材料常数。结果表明： 拟合相关性系数最小为0.9394,证实了该模型的适用性。通过计算拉伸型等效损伤参量SWT和剪切型等效损伤参量FS在榫接触面 上的最大值所在位置预测了微动裂纹的萌生位置,与微动疲劳试验件裂纹的萌生位置一致。利用高温微动疲劳寿命模型对不同 试验载荷和温度下的燕尾榫连接结构的微动疲劳寿命进行预测,与试验结果相比,预测结果的误差在2倍分散带以内。     

表面再结晶层对DZA定向凝固合金低周疲劳性能影响

针对DZ4定向凝固合金表面再结晶层对材料性能的影响进行了低周疲劳实验研究,并通过岛津SEM伺服疲劳试验机进行表面裂纹实时观察跟踪.研究结果表明,表面再结晶层的存在对材料性能明显产生负面作用,低周疲劳寿命大大降低.不同喷丸强度试件在相同的高温退火条件下形成的再结晶具有不同的再结晶形态,高喷丸强度再结晶更加完全,晶界清晰平直,晶粒有长大的趋势.表层再结晶形态也对疲劳寿命的降低程度以及疲劳微裂纹萌生寿命和裂纹密度有较大的影响.较高喷丸强度形成的再结晶层的试件疲劳寿命降低较少,表面微裂纹萌生较晚,裂纹密度也很低.低喷丸强度试件表面微裂纹大量萌生,密度非常高.再结晶层的晶界开裂是导致表面微裂纹大量萌生的根源,从而导致疲劳寿命大幅度降低.     

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。      

TC4,GH169材料最佳喷丸参数的研究

研究了喷丸对ＴＣ４、ＧＨ１６９材料低周和高周疲劳性能的影响，确定了这两种材料的最佳喷丸强度。     

40CrNi2Si2MoVA钢机械加工与喷丸试样旋转弯曲疲劳寿命的预测方法

为了预测机械加工及喷丸强化后40CrNi2Si2MoVA钢试样在室温下的旋转弯曲疲劳寿命,结合商用有限元软件ABAQUS和疲劳寿命分析软件FE-SAFE对不同数值计算方法的适用性及准确性进行比较,提出了喷丸强化40CrNi2Si2MoVA钢的寿命预测经验公式。结果表明:对于机械加工试样,选择"Brown-Miller"算法和表面残余应力用于计算可获得比较准确的预测结果;对于喷丸强化试样,高应力水平下也可选用"Brown-Miller"算法及表面残余应力,而低应力水平下则应改用"Stress-based Brown Miller"算法及最大残余应力。基于上述两种方法提出的经验公式:σmax=–64.378·lgN+1449.268,可改善40CrNi2Si2MoVA钢喷丸强化试样疲劳寿命预测的准确性。     

航空装备关键件微动疲劳寿命预测

通过微动疲劳损伤机理分析,以微动疲劳接触应力计算入手,建立了航空装备关键件中一种较为普遍的圆柱/平面接触微动疲劳结构的有限元全局模型和子模型,通过边界条件误差和离散误差分析,提高了计算精度和计算效率。以断裂力学为基础,根据复合型裂纹断裂判据,用改进的裂纹闭合积分法计算了裂纹尖端应力强度因子,引入应力强度因子影响系数,建立了微动疲劳裂纹扩展寿命预测模型,确定了模型中的参数,通过预测寿命与试验值的对比验证了该模型的正确、有效性。