TA1钛合金自冲铆接接头疲劳性能及失效机理分析

采用轴向加载的形式对TA1钛合金自冲铆接试样进行疲劳试验,分析了不同因素下试样的疲劳强度变化规律;通过扫描电镜对试样失效断口和微动磨损进行分析,研究试样的失效机理. 结果表明,在同种铆接因素下,试样疲劳强度随应力比的增大而增大,随最大载荷值的增加而下降. 通过断口分析发现,铆钉断裂失效时,疲劳裂纹主要产生在钉胫外侧;基板断裂失效时,疲劳裂纹首先萌生在铆钉胫尾部与下板接触区域. 基板与铆钉的微动磨损在某种情况下存在竞争机制,当铆钉微裂纹扩展速率大于基板时表现为铆钉失效,反之为基板失效.     

超细晶纯钛的微动疲劳特性

利用自行设计的微动疲劳实验夹具装置研究超细晶纯钛在柱面-平面接触下的微动疲劳特性,分析循环应力对其微动疲劳寿命的影响,通过观察接触区磨损和断口形貌,分析其微动损伤机制。结果表明,当法向载荷不变时,超细晶纯钛的微动疲劳寿命随着循环应力的增加而减小,比常规疲劳寿命更小。微动疲劳裂纹于接触区边缘萌生,磨损区破裂严重且附着有磨粒,在磨粒磨损作用下加速了试样的疲劳失效。断口同时呈现出疲劳形貌和微动形貌,形貌从平滑转向粗糙直至断裂,裂纹由小变大,裂纹扩展速率也逐渐增加,且在裂纹扩展区存在二次裂纹;由于受力不均在裂纹扩展区与断裂区之间存在山脊状形貌。     

5052铝合金单搭自冲铆接头微动疲劳损伤机理研究

采用5052铝合金单搭自冲铆接头进行疲劳试验,研究了微动疲劳损伤对单搭自冲铆接头疲劳寿命的影响。并运用扫描电镜和能谱仪对接头微动损伤区域进行了微观分析,研究了接头微动疲劳损伤机理。结果表明:在应力比为0.1、最大疲劳载荷为接头拉剪强度的80%时,接头疲劳寿命为36826次;最大疲劳载荷为接头拉剪强度的30%时,达到疲劳寿命极限200万次。接头疲劳寿命与其微动疲劳损伤程度有关,微动疲劳损伤会减弱接头的疲劳寿命。接头疲劳失效形式主要为下板沿铆钉扣处断裂,断裂方向与加载方向垂直。接头微动疲劳损伤过程可分为微动损伤阶段和微动疲劳阶段。在微动损伤阶段,微动磨屑在接头微动接触面不断产生。在微动疲劳阶段,脱层和微裂纹的出现导致接头失效。     

钛合金同种自冲铆接头的拉伸与剥离性能

为了分析钛合金(TA1)同种自冲铆单搭和T型两种接头的静力学性能,分别对两种接头进行了拉伸和剥离试验,并通过SEM扫描电镜对两种接头的失效部位的微观形貌进行了观察。结果表明:TA1+TA1的T型接头剥离时所承受最大载荷均值(1211.0 N)小于单搭接头拉伸时所承受最大载荷均值(4706.5 N)。单搭接头和T型接头的主要失效形式皆为下板拉脱使机械内锁失效,且下板皆有不同程度的刮擦损伤痕迹;特别是TA1+TA1单搭接头的铆钉管腿处出现不同程度的断裂,铆钉主要断口微观形貌为典型的沿晶断裂;T型接头下板存在很大的刮擦损伤。     

TA1钛合金板异质粘接-自冲铆复合接头力学性能研究

以TA1钛合金异质单搭粘接-自冲铆复合接头为研究对象,通过剖面直观检测法观察了接头成形质量。基于静力学实验对比了各组接头的静失效载荷及能量吸收性能,分析了各组接头失效模式。结果表明:三种粘接-自冲铆复合接头都具有良好的成形质量,其中TA1-5052复合接头钉脚张开度最大,铆钉刺入深度最深;TA1-Q215复合接头的静失效载荷最高,其能量吸收性能最优;三组接头胶层失效形式皆为基板与胶层粘接界面上的次价键被破坏,当上下板屈服强度差别较小时,接头失效形式为内锁破坏失效;反之,屈服强度较低的板断裂。     

铝合金自冲铆接头疲劳性能及失效机理

自冲铆是轻量化材料的有效连接技术,为促进该技术的广泛应用,文中基于两组铝合金自冲铆接头,采用疲劳测试、统计方法、断口分析和X-射线能谱仪元素分析,获得接头疲劳特性和断口典型部位微观组织特征,从而对铝合金自冲铆接头疲劳性能及失效机理进行研究。结果表明,随着疲劳载荷降低,接头疲劳寿命稳定性和相对滑移量下降。由于多铆钉接头有效减小了应力集中,其疲劳强度比单铆钉接头提高了31.36%~23.14%,且多铆钉接头的疲劳寿命稳定性较高。多铆钉接头中存在首要和次要承载顺序,疲劳断裂表面为首要承载顺序所在位置。接头疲劳宏观失效模式均为下板断裂,疲劳裂纹主要萌生于铆钉管腿与下板接触部位,微振磨损区域自铆钉管腿底部向铆钉头方向生长。减缓该部位的摩擦作用,可有效延迟疲劳裂纹萌生和减缓裂纹扩展,从而提高接头疲劳寿命。     

压印接头混合失效形式的静态失效机理分析

以TA1-1420和镀锌钢-镀锌钢压印接头为例,研究了压印接头两种混合失效形式的力学性能及失效机理。并通过扫描电子显微镜观察了断口微观形貌,分析了不同混合失效接头的受力以及断口特征,得出了两种混合失效模式在静载荷下不同的失效机理。结果表明:上板拉脱混合失效的机理主要是脆、韧断裂,上板颈部断裂混合失效主要是韧性断裂。     

钛铝同异种合金热熔钻铆接头的力学行为及失效机理

以TA1钛合金和5A06铝合金作为实验板材,采用热熔钻铆技术进行连接,通过静拉伸实验和扫描电镜实验对接头的静力学行为及失效机理进行了系统的研究。结果表明：当铝板在下进行铆接时,更有利于形成长而厚的衬套,成形质量更佳,且钛板在上时板材与铆钉间螺纹的啮合程度较低;FTT接头的力学性能最佳并具有最高的缓冲吸震性能,FAT接头的力学性能远高于FTA接头;铝板为下板时,失效形式为典型的韧性断裂特征,铝板为上板时,失效形式呈现脆性断裂特征;钛板断口呈现出剪切断裂和韧性断裂共同作用的混合断裂形式;FAA接头的钉头几乎未损伤,FTT接头的钉头受损严重。     

TA1/5A06同质自冲铆接头的力学性能北大核心CSCD

为了进一步研究自冲铆接技术在航空航天领域的应用,选用TA1钛合金和5A06铝合金航空合金薄板材料作为基板,采用自冲铆接技术进行连接,并通过拉伸试验和扫描电镜试验对接头的静力学性能及微观组织进行系统的研究。结果表明:同质接头的成形对称性良好,铆接较硬板材时易出现空腔;基板的自身性能对接头静载强度的影响较大;5A06-5A06接头的失效位移最大,上板拉脱是由于铆钉周围产生了微裂纹;TA1-TA1接头的静失效载荷最大,缓冲吸震性能较好,其接头铆钉的断裂形式为沿晶断裂和显微孔穴聚集共同作用的混合型断裂。     

AA6061填丝FSW T形接头特征及动静载特性分析

利用自主开发的填丝静止轴肩T形接头焊接工具开展了6061-T4铝合金填丝T形接头的焊接试验,获得了成形良好的无缺陷T形接头. 对接头内部成形、显微组织、硬度分布、静载强度及疲劳性能进行了测试与分析. 结果表明,接头轴肩影响区表面存在超细晶区,内部质量良好,焊核区不同位置填充材料与母材发生了不同程度的混合. 接头底板及筋板硬度较母材有不同程度的降低,拉伸测试中底板和筋板方向接头均断裂于热影响区,接头系数分别0.68和0.83. 过渡圆角明显提高了接头的疲劳性能,在2 × 106疲劳寿命下的具有90%置信度及97.5%存活率的特征疲劳强度可达101.4 MPa,远高于IIW建议的设计准则. 疲劳断口显示疲劳裂纹萌生于接头表面轴肩压入边缘,在交变载荷作用下向内部扩展,裂纹稳定扩展区可见明显的疲劳条带,断裂机制为穿晶断裂.     

Fretting fatigue studies of titanium nitride-coated biomedical titanium alloys

Fretting fatigue is an adhesive wear mechanism caused by repetitive tangential micro-oscillation between two contacting materials pressed together under cyclic load. Bioimplants, such as hip joints and bone plates, are prone to undergo fretting fatigue failures during their service within the body. This article presents the fretting fatigue damage characterization of physical vapor deposition (PVD) TiN-coated biomedical titanium alloys (Ti-6Al-4V and Ti-6Al-7Nb) subjected to cyclic loads. The PVD TiN layer delayed the damage because of superior tribological properties compared with uncoated alloys. Delamination and abrasive wear damage of TiN at contact caused failure of the alloy. Friction coefficient curves of the PVD TiN-coated pair showed an irregular pattern caused by the influence of wear particulates and Ringer fluid at the contact.     

TA15线性摩擦焊接头高周疲劳性能分析

在相同热处理制度下,开展了TA15钛合金母材与TA15线性摩擦焊接头高周疲劳性能试验,并对疲劳断口进行扫描电镜分析. 结果表明,从S-N曲线低应力区到高应力区,焊缝针状组织的疲劳强度高于母材双态组织,随着应力的增大,两种组织的疲劳强度差异逐渐缩小;接头针状组织的疲劳极限(463 MPa)高于母材双态组织(423 MPa). 断口分析结果表明,TA15母材的疲劳断口相对较平,扩展区二次裂纹较少,而线性摩擦焊接头中存在较多的二次裂纹,降低了裂纹扩展速度,说明针状组织的疲劳性能优于双态组织.     

TA15钛合金焊接接头性能与断裂行为研究

对TA15钛合金氩弧焊和电子束焊焊接接头的性能与微观组织进行了分析研究,并结合断口观察,对其断裂行为进行了研究.结果表明,两种焊接接头强度均与母材相当,而塑性明显降低.焊接接头热影响区组织均呈现从粗大等轴组织到魏氏组织的过渡变化特征.疲劳断裂位置一般位于靠近熔合线的焊缝区域,主要原因是此区域存在组织突变和熔合线气孔.焊接气孔对接头疲劳性能影响较大.两种焊接接头疲劳断口特征存在明显区别.     

TC4钛合金的微动疲劳行为研究

研究了TC4钛合金在柱面-平面接触条件下的微动疲劳行为.通过观察微动区的磨损特征和截面形貌,分析了微动疲劳损伤机制,探讨了磨屑的形成与演变过程及其对微动疲劳行为的影响,考察了摩擦系数随时间的变化.结果表明,TC4钛合金微动区的损伤机制以粘着磨损、磨粒磨损和接触疲劳为主,并伴有氧化磨损.磨屑是基体材料脱落、破碎、氧化形成的,磨屑中的硬质氧化物颗粒促进了合金表面的磨粒磨损,加速了疲劳失效.     

退火处理对钛合金压印接头疲劳性能影响

文中实现了钛合金板材的压印连接,并将得到的压印接头分成两部分,一部分不予处理,一部分进行整体退火处理. 将得到的两组试件进行静拉伸试验和拉-拉疲劳试验. 结果表明,未处理的钛合金压印接头静拉伸最大载荷均值为4 363.64 N,失效位移均值为1.48 mm. 退火处理后,钛合金压印试件的静拉伸最大载荷均值为3 879.74 N,失效位移均值为1.85 mm;未处理的钛合金压印接头疲劳性能明显优于后者,前者的疲劳极限高于后者约68%;两种接头的疲劳裂纹总是在压印点偏上的部位出现,SEM分析显示该部位应力较为集中且存在多个疲劳源,两种断口的疲劳源呈脆性疲劳断裂特征,退火处理的接头颈部断裂断口为塑性断裂.     

纯钛和钛合金在人工唾液中的复合微动磨损行为(英文)

在改进后的液压伺服双向微动磨损试验机上实现双向微动。在人工唾液环境中,对TA2纯钛和Ti6Al7Nb合金在6 mm/min的加载速度下以不同接触倾角(45°和60°)和不同最大外加载荷(200~400 N)条件下进行复合微动磨损实验。详细研究循环垂向力和倾斜角的影响。结合动力学分析与微观检测结果显示:磨痕和塑性变形累积呈现强烈的非对称性。在人工唾液环境中和相同实验参数下,Ti6Al7Nb合金比TA2纯钛具有更好的抗磨损性能,并随着倾斜角度的增加和外加载荷的降低,磨损相应减轻。TA2纯钛和Ti6Al7Nb合金在人工唾液环境中的复合微动磨损机制是磨粒磨损、氧化磨损和剥层。     

接触载荷对TC4钛合金微动磨损行为的影响

目的在不同的载荷和位移幅值下,结合微动图研究微动接触状态、滑移状态、损伤体积三者对微动摩擦磨损的影响以及不同微动接触状态和滑移状态下材料的损伤机理,为机械构件的微动磨损防护设计提供一定的理论支持。方法在相对湿度为50%、干摩擦条件下,运用SRV-V摩擦实验机,采用球/平面接触形式研究了TC4钛合金/GCr15钢球摩擦副的微动摩擦磨损行为。实验后,用原子力显微镜、纳米压痕仪、三维光学轮廓仪、场发射扫描电子显微镜及其自带的EDS,测试TC4试样的表面形貌及粗糙度、弹性模量与硬度、磨损体积与截面形貌和显微结构及磨斑、磨屑形貌成分等。结果在较低法向载荷下,完全滑移(GSR)占主导地位。磨粒磨损、粘着磨损、氧化磨损以及疲劳脱层是主要的损伤机理。另一方面,在较高法向载荷下,混合滑移(MSR)、部分滑移(PSR)占主导地位。损伤机制是由于高的应力集中,导致疲劳裂纹。此外,不同的微动运行条件下和材料损伤区域也不相同。完全滑移条件下,损伤主要集中在磨斑中心,而部分滑移条件下,损伤主要集中在磨斑边缘。结论切向摩擦力、微动振幅是影响微动磨损的重要因素。小位移幅值下,磨屑可以减缓接触面钛合金基体材料的微动磨损;而大位移幅值下,磨屑会加剧接触面基体材料的微动磨损。