基于损伤力学的含夹杂粉末高温合金FGH96低周裂纹萌生寿命预测

研究FGH96粉末高温合金中夹杂物对低周疲劳寿命的影响,提出基于损伤力学理论的低周裂纹萌生寿命预测模型,在建立损伤演化方程后提出损伤表征参数.对含夹杂物和不含夹杂物的粉末高温合金试样在530℃和600℃下进行疲劳试验,并对具有椭圆形、半椭圆形、多边形和条形表面/亚表面夹杂物的试样进行模型验证,然后通过有限元模拟进行应力...     

FGH96粉末高温合金损伤行为与寿命预测

粉末高温合金中缺陷,尤其是非金属夹杂缺陷不可避免。为了对粉末高温合金的可靠应用,除需在工艺上进行控制以减少缺陷外,还必须研究缺陷对粉末高温合金的损伤行为,及根据粉末高温合金的疲劳特性研究粉末高温合金的寿命预测方法。针对我国先进航空发动机涡轮盘选材的第二代损伤容限型粉末高温合金FGH96,分析了国内外粉末高温合金的发展与应用状况,叙述了其缺陷特性以及缺陷对FGH96粉末高温合金的影响规律,介绍了FGH96粉末高温合金的断裂特征以及裂纹萌生与扩展特性,分析了粉末高温合金寿命预测研究的相关工作,并探索性阐述了基于原始疲劳质量的粉末高温合金寿命预测方法。     

夹杂物尺寸及分布对FGH97高温合金低周疲劳性能的影响

利用扫描电子显微镜、能谱仪、金相显微镜、低周疲劳试验机研究了镍基粉末高温合金FGH97材料650℃低周疲劳性能与断口夹杂物尺寸、面积及分布的关系。结果表明:FGH97热等静压材料低周疲劳裂纹源主要由非金属夹杂物引起。非金属夹杂物尺寸小于临界值(约80μm)时,夹杂物尺寸和位置对650℃最大应力980 MPa低周疲劳寿命无明显影响,疲劳寿命均值达到190 992周次。当夹杂物尺寸超过临界值(约80μm)时,则夹杂物尺寸越大,越靠近表面,低周疲劳寿命越低。因此,控制夹杂物尺寸是提高FGH97高温合金低周疲劳寿命的有效方法。     

夹杂物对粉末高温合金损伤行为的影响

在简要介绍粉末高温合金中夹杂物来源的基础上,分析了夹杂物对粉末高温合金损伤行为,尤其是疲劳行为的影响,并对含夹杂物粉末高温合金材料的损伤机理和疲劳寿命预测模型进行了介绍.指出了粉末高温合金中夹杂物对其疲劳性能影响显著,且这种影响是多方面的,夹杂物的尺寸、数量、位置和取向等都会影响合金的疲劳行为.     

镍基粉末高温合金FGH96应变疲劳行为

对镍基粉末高温合金FGH96在750℃、应变比R=0.05下的应变疲劳循环应力响应曲线、循环应力-应变曲线和应变-寿命曲线进行分析,通过非线性回归拟合,得到基于Manson-Coffin公式及郑公式两种处理模型的应变—寿命曲线及相关参数。结果表明,FGH96合金在实验加载条件下,出现了循环软化—稳定—再软化断裂的应力响应特性,并随着加载应变幅的提高而愈加明显。与Manson-Coffin公式相比,郑公式在宏观预测应变疲劳寿命,尤其是确定材料疲劳极限问题上取得很好的预测效果。     

镍基高温合金的高温力学性能及微观组织分析

以第三代镍基高温合金FGH98为研究对象,通过实验对比了FGH98合金和前两代合金FGH95和FGH96的疲劳寿命和高温裂纹扩展速率,并研究了微观晶粒尺寸和最大载荷保持时间对FGH98合金疲劳抗性的影响。结果表明,粗晶粒FGH98合金的疲劳寿命更长、裂纹扩展速率更低;FGH98合金的高温裂纹扩展速率随着保载时间的延长而增加。     

镍基高温合金的高温力学性能及微观组织分析

以第三代镍基高温合金FGH98为研究对象,通过实验对比了FGH98合金和前两代合金FGH95和FGH96的疲劳寿命和高温裂纹扩展速率,并研究了微观晶粒尺寸和最大载荷保持时间对FGH98合金疲劳抗性的影响。结果表明,粗晶粒FGH98合金的疲劳寿命更长、裂纹扩展速率更低;FGH98合金的高温裂纹扩展速率随着保载时间的延长而增加。     

粉末冶金高温合金FGH97的低周疲劳断裂特征

研究了粉末冶金镍基高温合金FGH97在650℃,30—980 MPa,1 Hz实验条件下的低周疲劳断口的宏观及微观特征,裂纹源的类型及其形貌特征,以及裂纹源的位置、缺陷类型、形状和尺寸对低周疲劳寿命的影响.结果表明,在本次实验条件下该合金的低周疲劳寿命均超过了5000 cyc;统计得出,低周疲劳断口裂纹源在表面的试样占23%,在亚表面的占47%,在试样内部的占30%;裂纹源分平台、粉末颗粒、夹杂物3种类型,其中平台类型约占5%,粉末颗粒间断裂占15%,夹杂物占80%.由统计分析和计算得出,不同类型裂纹源对疲劳寿命的影响程度不同:夹杂物最严重,其次为异常粉末颗粒,再次为局部塑性变形.     

基于微观建模法的焊接接头低周疲劳寿命预测研究

提出一种微观尺度的有限元模型,模拟了焊接接头的变形和短裂纹的萌生寿命。该模型考虑了焊接接头晶粒取向的不同和焊缝不同区域力学性能的差异。塑性应变能被作为疲劳损伤参量,结合疲劳寿命的能量准则来预测疲劳裂纹的萌生寿命。通过分析钛合金电子束焊的实验数据对该模型进行了验证。结果表明,在恒幅载荷作用下,焊接接头裂纹萌生于焊缝区多个晶界交汇或者较大且轮廓有畸变的晶粒内;微裂纹主要以Ⅰ型裂纹扩展;该微观有限元模型结合疲劳寿命预测的能量法在微观尺度上能够较好地完成焊缝疲劳性能的表征和疲劳寿命的估算。     

镍基高温合金疲劳裂纹急速扩展敏感温度及成因EI北大核心CSCD

对3种粉末高温合金FG4096、FGH4097和FGH4098,2种变形高温合金GH4720Li和GH4738等典型镍基高温合金,在550~800℃的宽温度范围内开展疲劳裂纹扩展实验,明确了合金在服役温度范围内的高温段存在疲劳裂纹急速扩展的敏感温度。综合考虑合金的高温组织演变和力学性能衰减对疲劳行为的影响,发现2者并非高温疲劳裂纹急剧扩展敏感温度存在的主因。不同温度下疲劳断口和裂纹扩展路径的对比以及氧化损伤分量的计算表明,高温下晶界氧化损伤是疲劳裂纹急剧扩展敏感温度存在的主要原因。采用分子动力学计算分析了不同温度下O对Ni和NiCr体系晶界强度的影响规律。通过实验和理论计算阐述了镍基高温合金疲劳裂纹扩展的高温敏感性现象和本质原因。     

先进镍基高温合金疲劳损伤的微观机制

通过对FGH96粉末高温合金、DZ125定向凝固高温合金、DD6单晶高温合金大量疲劳断口的断裂特征进行统计分析,研究了这3类镍基高温合金疲劳损伤的微观机制。结果表明,这3类合金疲劳断裂的宏观形貌有较大的区别,但由于这几类合金均为镍基面心立方晶体结构,因此其疲劳损伤断裂具有相同的微观演变规律和断裂机制,即:从疲劳裂纹的萌生至裂纹的快速扩展均是以滑移机制进行;疲劳扩展第1阶段均为类解理特征,疲劳扩展第2阶段为疲劳条带,快速扩展区呈现为滑移面、滑移台阶、韧窝特征。由于其组织和成形工艺的区别,其共同的特征表现的具体形貌有所区别。     

镍基粉末冶金FGH95高温合金的拉伸及低周疲劳性能研究

在420～650℃的温度范围内,研究了PM FGH95高温合金在应变率0.0001～0.01 s-1范围内的拉伸性能及在不同应力比R=-1及R=0下的低周疲劳性能.拉伸试验结果表明:在此温度范围内,应变率对弹性模量、拉伸屈服强度及塑性模量的影响可以忽略不计;并且应变率自0.0001 s-1增大至0.01 s-1时,弹性模量、拉伸屈服强度及塑性模量受温度的影响也不明显.PM FGH95合金受材料微结构的影响很大,材料含有的微缺陷对其力学性能有非常不利的影响.LCF试验结果表明:PM FGH95合金是循环硬化材料.当应力比R=-1时,温度对LCF寿命的影响很小;但在应力比R=0时,LCF寿命受温度的影响很大,且随着温度的增加材料的低周疲劳寿命减小.SEM断口扫描发现,断裂表面有很多的解理面,但没有疲劳条带,且此断裂模式下没有明显的塑性变形,所以FGH95合金的低周疲劳寿命几乎是由裂纹萌生阶段决定的.     

硅铝合金柴油机机体紧固面微动疲劳研究

目的针对柴油机机体和主轴承盖紧固面之间发生的微动疲劳失效现象,探讨微动状态下柴油机硅铝合金机体的裂纹萌生特性及寿命评价方法。方法建立机体紧固面组合结构有限元模型,计算机体紧固面上的应力/应变历史数据,在此基础上分析机体紧固面的接触状态,探讨摩擦系数及摩擦功对微动疲劳特性的影响。采用多轴疲劳参数(CCB、F、SSI、Ruiz参数)预测了机体微动裂纹萌生位置,对所用参数进行修正,建立适用于机体紧固面的微动疲劳寿命预测模型。结果预测结果与实验值对比可知,F、SSI参数与实验结果差异较大,CCB和Ruiz参数的寿命预测结果与实验值接近,在2.3倍公差带因子范围内。但由于CCB参数预测的裂纹萌生位置和机体实际断裂位置不符,所以不能用于机体微动疲劳寿命预测。结论在接触状态突变的区域容易萌生微裂纹,适当增大摩擦系数或者降低摩擦功可以抑制机体的微动疲劳损伤。Ruiz参数预测的机体微动疲劳寿命与实验值最为吻合,用Ruiz参数评估柴油机硅铝合金机体的微动疲劳寿命可以将误差控制在2.3倍公差带因子范围内。     

高温低周疲劳损伤对FGH96合金力学性能影响的实验研究

通过设计FGH96粉末高温合金的高温低周疲劳试验和高温单轴拉伸试验,研究了不同应力水平下高温低周疲劳损伤对合金力学性能的影响,结合对断口形貌的观察和成分分析,分析了合金力学性能改变的微观机理。结果表明,受疲劳载荷作用期间位错运动的影响,合金的屈服强度、抗拉强度在损伤前期表现出上升的趋势;损伤后期,随着材料内部裂纹的不断增多及扩展,合金的弹性模量、抗拉强度不断退化。合金力学性能的变化与疲劳加载的应力水平表现出明显的相关性。断口显微组织分析表明,随着损伤程度的增加,合金高温拉伸断裂模式由韧性逐渐向脆性转变,高温氧化加速了断裂模式的转变。     

A Three-Parameter Model for Predicting Fatigue Life of Ductile Metals Under Constant Amplitude Multiaxial Loading

In this article, a fatigue damage parameter is proposed to assess the multiaxial fatigue lives of ductile metals based on the critical plane concept: Fatigue crack initiation is controlled by the maximum shear strain, and the other important effect in the fatigue damage process is the normal strain and stress. This fatigue damage parameter introduces a stress-correlated factor, which describes the degree of the non-proportional cyclic hardening. Besides, a three-parameter multiaxial fatigue criterion is used to correlate the fatigue lifetime of metallic materials with the proposed damage parameter. Under the uniaxial loading, this three-parameter model reduces to the recently developed Zhang’s model for predicting the uniaxial fatigue crack initiation life. The accuracy and reliability of this three-parameter model are checked against the experimental data found in literature through testing six different ductile metals under various strain paths with zero/non-zero mean stress.     

FGH95粉末冶金高温合金损伤与断裂特性研究

观察分析FGH95粉末冶金高温合金高周疲劳光滑试样断口,研究其断裂规律;并用断口定量的方法对试样断口的裂纹扩展特性进行分析,计算疲劳扩展第2阶段的疲劳扩展寿命,并分析裂纹扩展特性与断裂特征的内在关系.针对120个试样用统计归纳的方法研究总寿命Nf与断裂特征参数αc之间的关系.临界裂纹长度取常用对数后与试验寿命取常用对数后具有大致线性关系,数据点分布在大致平行的具有一定宽度的分散带内,通过拟合出平行带的上下边界方程,可以给出寿命预测的上下边界方程,可用临界裂纹长度估算FGH95粉末冶金高温合金的疲劳寿命.     

Crack initiation and propagation induced by inclusions in a nickel-base P/M superalloy under fatigue load

1 IntroductionRecently the key components in advanced aircraftengines are widely made of nickel-base P/M super-alloy. However, non-metallic inclusions are intro-duced into this material during powder metallurgyprocessing. In industry, although many method…