Study on Fatigue Properties of Turbine Disk Groove Modeling Specimens of GH4720 Alloy

基于航空发动机涡轮盘榫槽结构特点及其工作状态,采用榫槽模拟件对GH4720合金的疲劳失效机理和裂纹扩展寿命进行了实验研究和理论分析。研究结果表明:GH4720合金榫槽模拟件的疲劳失效表现为3个阶段:(i)模拟涡轮盘榫槽处由于较高的应力集中而产生滑移,进而萌生裂纹;(ii)随着应力集中和循环载荷的持续,相邻晶粒间位错开动、发生滑移,裂纹在晶粒间传递;(iii)随着应力强度因子范围增大,剪应力和主应力交互作用、滑移系开动及位错在不同滑移系间的运动,裂纹快速扩展。在实验基础上建立了GH4720合金的疲劳裂纹扩展寿命模型,基于有限元分析的榫槽处的应力和裂纹扩展寿命模型得到的裂纹扩展寿命与实验结果相符,表明该裂纹扩展寿命模型可用于工程中预测涡轮盘的剩余寿命。     

7A09超高强铝合金表面强化实验研究

利用气动式喷丸机对7A09超高强铝合金试样进行喷丸强化,对喷丸强化前后试样小孔两侧残余应力分布进行测试,探讨了喷丸时间对7A09铝合金疲劳寿命的影响,分析机械喷丸强化前后铝合金试样疲劳断口。结果表明,机械喷丸强化后,7A09超高强铝合金表层分布高幅值残余压应力,表层残余压应力分布显著地降低了疲劳裂纹扩展速率,疲劳寿命明显提高;通过扫描疲劳断口,发现未处理试样的疲劳裂纹源位于孔壁上表面的尖角处,而机械喷丸强化试样的裂纹源逐渐转移到强化层以内,在最终断裂区内分布大量韧窝,且韧窝形态随喷丸时间的延长而增大,并且韧窝尺寸更深,说明机械喷丸改善了最终断裂区的塑性。     

GH4720合金涡轮盘榫槽模拟件疲劳性能研究(英文)

基于航空发动机涡轮盘榫槽结构特点及其工作状态,采用榫槽模拟件对GH4720合金的疲劳失效机理和裂纹扩展寿命进行了实验研究和理论分析。研究结果表明:GH4720合金榫槽模拟件的疲劳失效表现为3个阶段:(i)模拟涡轮盘榫槽处由于较高的应力集中而产生滑移,进而萌生裂纹;(ii)随着应力集中和循环载荷的持续,相邻晶粒间位错开动、发生滑移,裂纹在晶粒间传递;(iii)随着应力强度因子范围增大,剪应力和主应力交互作用、滑移系开动及位错在不同滑移系间的运动,裂纹快速扩展。在实验基础上建立了GH4720合金的疲劳裂纹扩展寿命模型,基于有限元分析的榫槽处的应力和裂纹扩展寿命模型得到的裂纹扩展寿命与实验结果相符,表明该裂纹扩展寿命模型可用于工程中预测涡轮盘的剩余寿命。     

ZK60高强度镁合金喷丸强化疲劳性能实验研究

为了研究喷丸强化处理对ZK60镁合金疲劳性能的影响,采用气动式喷丸机对ZK60高强度镁合金试样进行喷丸强化,利用X射线衍射技术对喷丸处理试样表面进行残余应力测试分析,并利用扫描电镜分析了镁合金试样表面晶粒尺寸变化,对所有试样进行疲劳性能测试,分析喷丸强化对ZK60镁合金疲劳性能的影响,同时对疲劳断口进行扫描分析。实验结果表明:喷丸强化在ZK60镁合金试样表面产生了一定的残余压应力分布,且残余压应力最大值可达-198 MPa,同时,喷丸强化可使ZK60镁合金试样表面粗糙度减小,喷丸区域晶粒得到明显细化,喷丸强化使得试样表面完整性得到极大改善,从而提高了ZK60镁合金材料的疲劳性能,喷丸试样疲劳寿命相对于未处理试样最大提高了36%,疲劳裂纹源由试样表面转移到喷丸强化层以内,从而抑制了疲劳裂纹的萌生。     

AerMet100钢喷丸强化前后表面完整性及疲劳性能分析

目的 提高AerMet100钢的疲劳寿命,研究喷丸对其表面完整性和疲劳性能的影响。方法 通过表面完整性测试,分析喷丸对其表面形貌、粗糙度、晶粒度、硬度、残余应力和显微组织的影响。开展疲劳试验,观察疲劳断口形貌,分析喷丸对其疲劳性能的影响。结果 喷丸后,试样表面产生明显塑性变形,粗糙度有所增加,晶粒得到细化,硬度增大,形成约140 μm的残余压应力层;此外,形成了交错的马氏体板条,强化层内位错增多,产生细化的马氏体板条以及孪晶。疲劳试验中,未喷丸试样寿命均值为163 566周次,喷丸试样寿命均值为209 552周次,平均增幅达28.1%。喷丸试样断口分布有多个裂纹源,裂纹扩展路径曲折,在断口边缘形成了凹凸不平的台阶,消耗了更多的能量。试样强化层内的裂纹扩展区总体形貌较为无序和杂乱,疲劳条带较未喷丸试样更为细密,表明其裂纹扩展速度较慢。结论 喷丸后,AerMet100钢的疲劳抗力增加,疲劳寿命显著提高。     

喷丸压力对GH3535合金表面状态及疲劳性能的影响研究

分别采用0.3MPa、0.45MPa和0.6MPa喷丸压力对GH3535高温合金表面进行喷丸。利用扫描电子显微镜（SEM）观察合金表面形貌、强化层组织结构,通过金相显微镜（OM）、维氏硬度计、X射线应力分析仪分析表层晶粒度、表层显微硬度、表层残余应力分布及X射线衍射峰半高宽。在室温条件下进行高周疲劳实验,并通过扫描电子显微镜（SEM）观察分析断口形貌特征。结果表明:GH3535合金喷丸后表层形成了晶粒细化层、硬化层和残余压应力层。且合金表面产生的晶粒细化层厚度、硬化层厚度以及残余压应力层厚度均随着喷丸压力的增加而提高。喷丸压力在0.3MPa～0.6MPa范围内,疲劳寿命受喷丸压力的影响较为敏感,且疲劳寿命随着喷丸压力的增加而提高。当喷丸压力为0.6MPa时,喷丸产生的效果最优,疲劳寿命提高了471.1%。喷丸后GH3535合金疲劳寿命的提高得益于合金表面状态的改善。     

喷丸强化对FGH4097粉末高温合金室温高周疲劳极限的影响

对FGH4097粉末高温合金进行喷丸强化,测定室温下高周疲劳极限,利用SEM观察疲劳断口特征及喷丸表面形貌,X射线应力仪和超微小动态显微硬度仪测定试样表层残余应力(σr)和超显微硬度(DHV),采用EBSD及TEM观察喷丸强化层的微观特征。结果表明:室温下,与未喷丸试样相比,喷丸后残余压应力更大、更深、更稳定,有利于提高疲劳裂纹萌生抗力及降低裂纹扩展速率;喷丸表层的高位错密度、大量小角度晶界及软取向晶粒数量减少阻碍疲劳裂纹在表面萌生,从而FGH4097高周疲劳极限提高20.7%。     

喷丸强化对20CrMnTi渗碳齿轮组织和性能影响

采用强力喷丸工艺对20Cr Mn Ti钢渗碳齿轮试样进行了表面强化处理。利用硬度仪、X射线应力分析仪、表面粗糙度仪、X射线衍射仪和扫描电镜,分别测试分析了试样处理前后的显微硬度、残余应力、表面粗糙度、残余奥氏体含量、接触疲劳强度和疲劳断口形貌。结果表明:喷丸强化可显著提高试样表面的残余压应力,残余奥氏体量减少,表层显微硬度增加,表面粗糙度有不同程度增大,接触疲劳强度明显提高。     

喷丸处理对7A85-T7452铝合金锻件疲劳性能的影响

研究不同喷丸强度对7A85-T7452铝合金锻件高周疲劳性能的影响,对比喷丸处理前后1×10~7疲劳寿命条件下的疲劳强度,利用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)观察了疲劳断口的形貌特征以及强化层微观组织的变化,用X射线(XRD)检测了强化层残余应力的分布。结果表明:喷丸后7A85铝合金试样的疲劳寿命是未喷丸的7.3倍,疲劳强度提高18%。喷丸在材料表面形成了厚度约为0.09 mm的残余压应力层,最大压应力为-231 MPa,该强化层平衡部分外加载荷中的瞬时拉应力,残余压应力层内的高密度位错可以阻碍位错的滑移,导致晶内位错迁移困难,从而阻碍了疲劳裂纹的萌生和扩展。     

GH4169 高温合金激光冲击强化层微观结构和微动疲劳行为研究

目的 提高GH4169镍基高温合金的微动疲劳寿命。方法 利用激光冲击强化（LSP）技术对GH4169高温合金榫试样进行表面强化处理并研究其微动疲劳性能。借助激光共聚焦显微镜（LCSM）、X射线衍射仪（XRD）、电子背散射衍射（EBSD）、显微硬度计、X射线应力分析仪、光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）及高频疲劳试验机,对激光冲击强化前后的GH4169高温合金的微观组织、硬度、残余应力、微动疲劳寿命、断口形貌和裂纹扩展情况进行分析。结果 激光冲击强化后表面硬度提高了17.3%,硬化层深度约为0.63 mm,表面残余压应力为331.5 MPa。经激光冲击强化后变形层中晶粒未发生明显细化,表明激光诱导冲击波主要引起GH4169高温合金中位错的形成而不是位错的运动。在20 kN峰值载荷下,尽管强化后的断裂机制没有发生明显的变化,但是强化后榫试样的微动疲劳寿命比未处理的试样提高了827%,裂纹从多疲劳源转变为单疲劳源,裂纹萌生位置从表面转移到距表面234 μm的次表面,激光冲击强化显著提升了GH4169的萌生抗力和扩展速率,扩展区域的疲劳条带间距从未处理的0.50 μm增加到了强化后的1.01 μm,这可能与残余应力的突变与松弛有关。结论 在激光冲击强化后获得硬化层和残余应力场共同影响下,GH4169高温合金榫试样的微动疲劳寿命得到了显著提升。     

喷丸对H13钢单边带缺口试样疲劳裂纹扩展行为的影响

喷丸工艺通过改变试件的表面形貌、微观组织及残余应力等表面完整性可以影响裂纹的萌生和扩展;对于存在缺陷的试件,喷丸的作用机制和影响结果有所不同。采用白光干涉仪、SEM、XRD及显微硬度计等对单边带缺口的H13钢薄板试样喷丸前后的表面完整性进行了测定。并借助原位SEM开展了系列裂纹扩展试验,分析了喷丸对试样疲劳寿命、裂纹扩展速率以及疲劳断口特征的影响。研究结果表明,虽然残余压应力诱发裂纹闭合,但由于喷丸后表面粗糙度的大幅提高增强了缺口效应,表面加工硬化使得韧性有所降低,以及残余应力在加载过程中发生松弛等因素,喷丸后单边带缺口试样的裂纹萌生过程缩短,疲劳寿命降低,且裂纹扩展速率的变化较小。喷丸前后疲劳断口形貌均为准解理特征,喷丸后断口近表面处的撕裂棱特征消失。     

湿喷丸强化对TC4疲劳性能的影响机制

利用湿喷丸技术对TC4钛合金进行表面改性处理,显著提高了材料疲劳寿命。对疲劳断口微观组织观察发现,湿喷丸强化处理使试样疲劳裂纹萌生位置由表面转移至试样内部约1 mm深度区域。通过对湿喷丸改性层微观组织分析可知,改性层内的细晶强化和位错强化是导致裂纹萌生位置发生改变的主要因素。湿喷丸引入的残余压应力对裂纹扩展起到有效的阻碍作用。细晶强化、位错强化和残余压应力共同作用提高TC4钛合金的抗疲劳性能。     

喷丸对25CrNi2MoV钢滚动接触疲劳性能的影响

目的提高25CrNi2MoV钢的滚动接触疲劳性能。方法对25CrNi2MoV钢进行表面喷丸处理,并采用3D形貌仪、光学显微镜、显微硬度仪、X射线应力分析仪与滚动接触疲劳试验机等仪器,对试样表面形貌、表面显微组织、显微硬度、表面残余压应力与滚动接触疲劳性能等进行测试分析。结果与未处理试样相比,经喷丸处理后,试样表面形貌由磨削加工槽型向酒窝状的弹坑转变,表面粗糙度增大,表面显微硬度由503HV0.2增大到577HV0.2,增加了14.7%,表面残余压应力由-90.0 MPa增大到-758.0 MPa。当喷丸强度为0.445 mmA时,试样具有最好的滚动接触疲劳寿命,其额定寿命(L10)、中值寿命(L50)、特征寿命(L63.2)分别为4.973×10^6次、6.578×10^6次和6.945×10^6次,分别是未处理试样对应寿命的11.1倍、7.3倍和7.0倍,试样滚动接触疲劳失效形式主要为疲劳剥落。当喷丸强度为0.596 mmA时,试样表面出现微裂纹,导致滚动接触疲劳寿命降低,此时试样疲劳失效形式主要为点蚀与疲劳剥落。未处理试样疲劳失效形式主要为分层。结论喷丸处理能细化试样表层晶粒组织,增大试样表面粗糙度、表面硬度与表面残余压应力。合适强度的喷丸处理可以抑制试样表面与次表面裂纹的萌生与扩展,显著提高滚动接触疲劳性能。     

喷丸强化对渗氮40Cr和30CrMo钢疲劳性能的影响

对40Cr和30CrMo钢进行渗氮、喷丸等单一强化和渗氮后喷丸的复合强化处理,测定了钢件表层的残余应力与显微硬度,采用升降法确定了1×10 7循环周次下的疲劳强度.结果表明,渗氮、喷丸和渗氮 喷丸表面强化均可提高40Cr和30CrMo钢疲劳强度,但渗氮后喷丸复合强化的效果最佳.对疲劳试样的断口分析表明,调质未表面强化试样的疲劳裂纹源于表面,而强化试样的疲劳裂纹源于强化层下的次表层.     

激光喷丸与机械喷丸复合强化对2124-T851铝合金疲劳寿命的影响

目的 研究激光喷丸(LSP)、机械喷丸(SP)及其复合强化(LSP+SP)对2124-T851铝合金四点弯曲疲劳寿命的影响.方法 激光喷丸强化的脉冲激光能量为6 J,脉冲宽度为20 ns,光斑直径为2 mm,半圆搭接.喷丸强化采用直径为0.3 mm的陶瓷弹丸,喷丸压力为0.2 MPa,喷丸覆盖率大于100％.采用X射线衍射的方法测定强化层的残余应力.采用显微硬度仪测定显微硬度.在MTS伺服试验机上测定试样四点弯曲疲劳寿命.使用扫描电子显微镜观察疲劳试样断口.采用列表梯形法分析计算试样的疲劳裂纹扩展寿命和萌生寿命,分析机械喷丸和激光喷丸强化层性能对疲劳寿命的影响.结果 LSP+SP试样残余应力场和硬度场近表层的数值与SP试样相近,表面残余应力为–260 MPa,表面硬度为178HV.LSP+SP试样残余压应力场和应变硬化场深度与LSP试样相近,可达3 mm以上.与未强化(AR)试样相比,SP、LSP和LSP+SP试样的平均疲劳寿命分别提高了214％、217％和312％.结论 喷丸强化的显著应变硬化作用提高了SP试样和LSP+SP试样的裂纹萌生寿命,激光喷丸强化引入的深层残余压应力场提高了LSP和LSP+SP试样的裂纹扩展寿命,LSP+SP复合强化兼具SP和LSP工艺的疲劳寿命强化作用.     

激光冲击强化与喷丸强化对FGH97高温合金疲劳性能的影响

对FGH97粉末高温合金进行激光冲击强化和喷丸强化,利用X射线应力分析仪测定强化层的残余应力,测定650℃下旋转弯曲疲劳性能,利用SEM观察分析疲劳断口特征。 结果表明,2种表面强化方法都可以提高FGH97粉末高温合金的疲劳性能,但激光冲击强化试样比喷丸强化试样具有更深的残余压应力层和较好的表面粗糙度,且残余应力在高温疲劳载荷下的松弛较小,因此具有更好的强化效果;与未表面强化的试样相比,喷丸强化试样和激光冲击强化试样的疲劳裂纹源都出现在亚表面,而未强化试样的疲劳裂纹源则出现在表面。     

激光冲击强化和喷丸强化对FGH97高温合金疲劳性能的影响

对FGH97粉末高温合金进行激光冲击强化和喷丸强化,利用X射线应力分析仪测定强化层的残余应力,测定650℃下旋转弯曲疲劳性能,利用SEM观察分析疲劳断口特征。结果表明,2种表面强化方法都可以提高FGH97粉末高温合金的疲劳性能,但激光冲击强化比喷丸强化具有更深的残余压应力层和较好的表面粗糙度,且残余应力在高温疲劳载荷下的松弛较小,因此具有更好的强化效果;与未表面强化的试样相比,喷丸强化和激光冲击强化试样的疲劳裂纹源都出现在亚表面,而未强化试样的疲劳裂纹源则出现在表面。     

喷丸强化对车辆传动齿轮裂纹扩展影响的研究综述

疲劳断裂是重载车辆传动齿轮的主要失效形式之一,齿轮底部疲劳裂纹的扩展将缩短车辆传动系统的服役寿命,严重时会导致车辆发生安全事故。延缓裂纹扩展的主要方法是在传动齿轮的表面引入一定大小的残余压应力。喷丸技术是一种冷加工表面强化处理工艺,该技术利用高速弹丸冲击材料表面,使零件表层产生塑性应变的同时,在表面和内部引入残余压应力,从而使裂纹闭合的能力得到强化,达到延缓裂纹扩展的强化效果。为了更好地揭示喷丸引入的残余压应力对疲劳裂纹扩展的影响,首先综述了传动齿轮表面疲劳裂纹产生的原因以及疲劳裂纹的扩展行为对重载车辆服役的影响。从强度因子、J积分以及裂纹闭合效应出发,介绍了传动齿轮表面疲劳裂纹扩展的理论以及残余压应力与疲劳裂纹扩展速率之间的关系。其次概述了目前国内外常用的新型有益于将残余拉应力转化为残余压应力的微粒子喷丸、激光喷丸、超声喷丸方法,并与传统机械喷丸技术相比较,阐述了新型喷丸表面强化技术的优缺点。此外,从数值模拟和试验结果两方面,论述了喷丸速度、喷丸角度、弹丸直径、弹丸材质和覆盖率5个工艺参数对在传动齿轮表面引入残余压应力的改善影响。最后对喷丸强化技术在传动齿轮上的多目标参数优化以及多尺度残余压应力与疲劳性能进行了展望,并结合重载车辆的使用需求,强调需要创新设计一种效率高、价格低、适用性广的喷丸技术,以进一步推动喷丸强化在延缓疲劳裂纹扩展方面的持续发展。     

喷丸处理EA4T车轴钢疲劳性能和残余应力松弛行为研究

目的 研究不同喷丸工艺处理EA4T车轴钢的疲劳性能和破坏行为,并分析表面影响层性能,尤其是表面残余应力对疲劳强度的影响机理。方法 采用传统喷丸（CSP）和微粒子喷丸（MSP）工艺分别对EA4T车轴钢进行处理,对不同喷丸处理后的试样进行表面性能分析,然后采用旋转弯曲疲劳试验机进行疲劳试验,获得疲劳S-N曲线和残余应力松弛过程,并通过扫描电镜对发生疲劳失效的断口进行观察。结果 与CSP相比,MSP可以引入更高的表面硬度和残余压应力,同时又可以有效地减小表面粗糙度。喷丸可以有效地提高试样的疲劳性能,CSP和MSP分别提升了试样疲劳极限的25%和33%。所有喷丸试样残余应力松弛与循环次数（10≤N≤107）之间存在线性关系,这个线性关系可以用经验公式定量描述。在相同加载应力下,CSP试样的残余应力松弛过程比MSP试样更快,当试样在疲劳加载过程中发生残余应力松弛后,剩余的残余压应力高于初始值的80%时,疲劳失效不会发生。所有试样的疲劳裂纹均萌生于表面,喷丸没有改变试样的疲劳断裂机制。结论 与CSP相比,MSP可以引入更优的表面影响层,在相同加载应力下有更加缓慢的残余应力松弛过程,从而可以进一步提高试样的疲劳性能。另外,残余压应力、表面完整性是影响疲劳极限提升的主要因素。     

喷丸与CuNiIn涂层复合处理对高温合金榫试样微动疲劳性能的影响∗

汽轮机叶片榫结构接触部位易发生微动疲劳失效,但行业内仍缺乏有效解决措施,因此开展了不同载荷下不同表面改性技术处理后 10705BX 铁基高温合金榫结构微动疲劳试验研究。分别对原始未处理（AS）、喷丸处理（SP）及喷丸与 CuNiIn 涂层复合处理（SC）的 10705BX 铁基高温合金榫结构试样的微动疲劳性能进行测试分析,在微动疲劳试验前后,对原始、 喷丸处理及复合处理后的 10705BX 铁基高温合金的表截面形貌、断口形貌及力学性能进行表征分析。结果表明：原始、喷丸处理和复合处理试样表面粗糙度 Sa 分别为 0.08、3.38 和 13.65 μm。喷丸处理后表面硬度提高了 16%,加工硬化层深度约为 80 μm,微动疲劳寿命相较原始试样提高了 7.8 倍。复合处理的涂层平均厚度约为 50 μm,微动疲劳寿命相较原始试样提高了 4.2 倍,相比较喷丸处理来说,复合处理后材料的微动疲劳寿命提升较弱。原始、喷丸处理和复合处理试样的裂纹均为多疲劳源萌生,但是喷丸和复合处理后的裂纹源数量明显减少。喷丸处理和复合处理后裂纹的扩展速率均显著提高。喷丸后试样表层获得加工硬化层并且引入残余压应力,主要提升了裂纹萌生寿命。喷丸处理及喷丸与 CuNiIn 涂层复合处理方法有望成为提升汽轮机叶片服役寿命的重要备选途径。