表面粗糙度对TC17疲劳失效影响的试验研究

表面粗糙度是影响金属材料疲劳性能的重要因素,尤其针对钛合金TC17.目前基于表面粗糙度的钛合金TC17疲劳失效研究尚未得到广泛开展,相应的试验数据及结果也较少.以超声疲劳试验技术为基础,针对钛合金TC17进行不同粗糙度条件下的疲劳试验,使用先进的检测设备对试件断口进行观察与检测,分析表面粗糙度对钛合金TC17疲劳失效的影响.结果 发现:粗糙度对TC17疲劳失效特征及疲劳性能存在劣化作用,在高周与超高周疲劳范畴中,表面粗糙度都是引起TC17疲劳失效的主要因素.以Murakami模型为基础,结合钛合金TC17疲劳试验结果,验证了经典模型对钛合金TC17疲劳强度预测的适用性,并预测了不同粗糙度条件下TC17的疲劳强度.文中研究内容对钛合金TC17的应用具有积极意义.     

表面激光冲击强化对钛合金超高周弯曲疲劳性能的影响

对TC17钛合金进行了表面激光冲击强化处理,并对其残余应力分布进行了分析,通过强化前后TC17钛合金的超高周弯曲疲劳性能试验,疲劳试样断口形貌的观察,研究了表面激光冲击强化对TC17钛合金的超高周弯曲疲劳性能的影响。结果表明:经过激光冲击强化处理后,TC17钛合金的疲劳裂纹源从强化前的主要分布在表面和次表面,全部转移到了次表面,其超高周弯曲疲劳性能提高了一倍。     

钛合金燕尾榫结构在不同疲劳载荷下的断口分析

对TC11钛合金燕尾榫连接结构在低周和高低周复合载荷作用下的断口特征进行了分析.结果表明:在微动环境下,微动磨损面上有表面金属掉块和不均匀的磨损擦伤,磨损表面出现腐蚀坑以及损伤区呈现层状及山丘状的塑性变形;在高低周复合载荷情况下,疲劳源处疲劳辉纹呈现以河流花样为主的复杂疲劳条纹,在裂纹扩展阶段,河流花样比较杂乱,裂纹扩展方向相对无序,每个低周周期中的疲劳台阶也不明显.     

Mg-12Gd-3Y-0.5Zr镁合金的不同疲劳行为

对轧制态Mg-12Gd-3Y-0.5Zr镁合金的室温低周、超高周疲劳,高温等温疲劳以及热机械疲劳性能进行了研究,并对其疲劳失效机制进行了分析.结果表明:对室温低周疲劳、超高周疲劳来说,其失效机制主要是夹杂或大的第二相引起的疲劳开裂;对于低周疲劳,裂纹萌生于表面或亚表面,而对于超高周疲劳,裂纹起源于内部;该合金的高温等温...     

TiAl 合金高周弯曲疲劳研究

应用压电超声疲劳试验技术,开发20 kHz频率下的三点弯曲疲劳试验系统,完成室温下TiAl合金超高周弯曲疲劳试验.结果表明,在疲劳循环大于107周时,试样仍会发生疲劳断裂.S-N曲线显示,当应力比R=0.7时,在107周后会出现疲劳极限,表面粗糙度对疲劳性能没有明显影响.当R=0.1 及R=0.5时,在105～1010周之间疲劳强度随循环次数的增加连续下降,S-N曲线未出现水平.光学显微观察发现,TiAl合金由α2-Ti3Al 和γ-TiAl组成(γ α2钛铝合金),具有全片层状显微结构.疲劳破坏主要起源于试件表面承受应力最大处,层状晶体内层间裂纹萌生是 TiAl合金主要的裂纹萌生方式,疲劳裂纹主要以穿晶方式扩展.在超高周循环条件下, 疲劳裂纹也会从试样近表层处的铸造缩孔萌生.     

高低周复合载荷下的钛合金疲劳寿命估算

航空发动机转子叶片等在工作中常受到高低周复合载荷的作用.对TC11钛合金试件进行低周、高周和高低周复合疲劳性能试验,得到不同载荷类型下的中值寿命.在试验结果的基础上,运用线性累积、非线性累积损伤理论,对高低周复合疲劳试验的寿命进行估算,并对结果进行分析讨论.结果表明:高低周复合循环降低了TC11的抗疲劳性能;线性累积损...     

TC16钛合金螺栓及其连接30CrMnSiA钢板孔的疲劳行为

利用高频疲劳实验机和自制装置进行疲劳试验,研究了TC16钛合金螺栓连接30CrMnSiA高强度钢板结构的疲劳破坏行为,并通过扫描电镜(SEM)和有限元分析法分析了钢板和钛合金紧固件的失效机理。结果表明:30CrMnSiA高强度钢板件用TC16钛合金紧固件连接时在外加拉-拉疲劳载荷下,其疲劳破坏属于微动疲劳,寿命较带自由孔30CrMnSiA钢板件的常规疲劳寿命下降约60%,脱层和磨粒磨损是板孔微动疲劳的主要损伤形式。TC16钛合金紧固件连接30CrMnSiA高强度钢板结构在拉-拉疲劳载荷下,钛合金螺栓由于弯曲疲劳作用发生弯曲疲劳断裂,而非微动疲劳破坏。TC16钛合金螺栓表面进行阳极氧化处理有利于改善30CrMnSiA高强度钢连接板的微动疲劳性能。然而,钛合金螺栓表面进行阳极氧化处理由于韧性降低的缘故,却导致其常规弯曲疲劳抗力明显下降。     

TC21钛合金电子束焊接接头超高周疲劳行为研究

采用超声疲劳试验方法(20 k Hz),研究TC21钛合金电子束焊接接头的超高周疲劳性能与断裂机理。结果表明,TC21钛合金电子束焊接接头的疲劳性能要远低于母材的疲劳性能。在短寿命阶段,电子束焊接接头和母材的疲劳裂纹均在表面萌生;当寿命增大时,两者疲劳裂纹的萌生位置均由表面转向内部,母材的疲劳裂纹主要萌生于内部显微组织,而电子束焊接接头疲劳裂纹主要萌生于内部焊接气孔缺陷。当寿命较长时,疲劳源区会出现"鱼眼"形貌特征,源区附近有白色颗粒状细晶区,即细晶区(Fine granular area,FGA),其应力强度因子在2.90~3.33 MPa·m1/2,与疲劳寿命没有直接关系,可以认为是疲劳裂纹扩展门槛值。此外,基于AKINIWA小裂纹扩展理论,定量分析气孔尺寸与TC21焊接接头疲劳极限、疲劳应力的关系。     

7075航空铝合金原位腐蚀-多轴疲劳行为分析

针对沿海地区飞机服役过程中的疲劳失效问题,利用自行开发的腐蚀装置对7075铝合金进行未腐蚀和3.5%NaCl盐雾原位腐蚀条件下,等效应力分别为200 MPa、250 MPa和300 MPa时的多轴疲劳试验。结合循环曲线和断口形貌对未腐蚀和原位腐蚀条件下的多轴疲劳失效机理进行对比分析,并提出改进的Manson-Coffin-Basquin（MCB）准则进行寿命预测。结果表明,随着等效应力的增大,7075铝合金未腐蚀和原位腐蚀条件下多轴疲劳寿命均下降;等效应力相同时,相对于未腐蚀试样,原位腐蚀试样的多轴疲劳寿命显著缩短,轴向和扭向滞回线的面积均不同程度增大;200 MPa等效应力条件下,试样多轴疲劳寿命在未腐蚀条件下为99 675周次,原位腐蚀条件下下降至55 284周次;未腐蚀和原位腐蚀条件下,裂纹源均出现在外表面,原位腐蚀试样扩展区有盐粒出现;修正的MCB准则引入加载条件和环境因素,得到了良好的预测效果,寿命预测值均位于两倍分散带内。     

TC4钛合金与结构钢接触腐蚀控制技术研究

为了解决飞机结构中TC4钛合金与T250结构钢的接触腐蚀问题,研究了采用TC4钛合金表面真空电弧离子镀Al膜层、镀TiN膜层,结构钢更换材料,以及两种方法联合的技术途径的可行性。依据航空标准,采用电化学测试技术评价了有关电偶对的腐蚀等级,采用盐雾腐蚀试验方法研究了组合件的接触腐蚀敏感性。研究结果表明,TC4钛合金与T250结构钢之间存在显著的电偶腐蚀。TC4钛合金表面真空离子镀TiN或镀Al后钝化处理,仍然与T250钢之间存在显著的电偶腐蚀敏感性。用0Cr17Ni7Al钢和0Cr15Ni5Cu2Ti钢分别取代T250钢,虽然电化学测试结果表明更换钢与TC4钛合金之间电偶腐蚀敏感性低,但是组合件的盐雾腐蚀试验结果表明仍然存在明显的缝隙腐蚀现象。采用TC4钛合金表面离子镀TiN处理,同时以0Cr17Ni7Al钢取代T250钢,则有效解决了TC4钛合金与结构钢组合件的接触腐蚀问题。     

304不锈钢的超高周疲劳性能

采用超声疲劳试验技术对304不锈钢超高周疲劳性能进行了研究,并用扫描电镜对疲劳断口进行了分析.结果表明:304不锈钢在105～1010周次范围内的S-N曲线呈阶梯型下降趋势;在106～108周次出现平台,平台对应应力幅约为200 MPa;在平台应力以下,108周次以上超高周范围304不锈钢仍然发生疲劳断裂,不存在传统意义的疲劳强度;高周和超高周断裂试样的裂纹主要从试样表面萌生.     

金属材料超高周疲劳研究综述

从20世纪80年代日本的学者提出钢铁材料在超过10^7的应力循环出现疲劳破坏的现象后,到20世纪90年代这一现象得到欧洲学者的重视,并通过很多合金的10^10应力循环的超声疲劳实验数据证明这一现象的存在。至此,超高周疲劳研究在国际上逐渐成为疲劳研究领域的一个热点。文中论述金属材料超高周疲劳研究的背景及意义,介绍最近几年超高周疲劳的研究成果,回顾金属疲劳研究的历史,明确超高周疲劳在疲劳研究史上的地位,提出今后超高周疲劳研究的课题。     

超声疲劳试验方法在铸铝疲劳试验中的应用

应用20kHz频率下的超声疲劳设备完成亿周次疲劳试验，获得铸铝AS5U3G-Y35超高周疲劳特性。通过20kHz频率下的超声疲劳试验和35Hz频率下的常规试验，完成10^4～10^10周的S-N曲线。试验结果表明，在10^7周以上试件仍会发生疲劳断裂。在10^7～10^10周之间，当应力比R=-1时，疲劳强度随循环数的增加而下降；当应力比r=0．1时，在循环数超过10^8周时，疲劳强度不再下降，S-N曲线出现平台。比较20kHz和35Hz两种频率下的试验结果，在10^4～10^7周之间没有明显差别，即铸铝AS5U3G-Y35在超声疲劳试验中不存在频率效应。扫描电镜观察试件疲劳断裂面发现材料中分布许多小的缩孔，而且大多数试件的疲劳破坏都发生在试件表面或接近表面的缩孔处。     

TC18航空钛合金机械研磨处理疲劳特性实验研究

介绍了对TC18航空钛合金表面进行不同时间的机械研磨处理的情况,并利用X射线衍射技术对机械研磨处理前后试样表面残余应力状态进行测定;分析了不同研磨时间处理后试样中残余应力分布对航空钛合金试样疲劳强度的影响。实验研究表明,机械研磨处理在TC18钛合金试样表面产生了高幅值残余压应力,它能有效地抑制疲劳裂纹的扩展,在一定时间范围内,随着研磨时间的增加,疲劳强度逐渐改善。     

喷丸对TC4钛合金残余压应力场及疲劳寿命的影响

研究了不同弹丸及喷丸参数对喷丸后TC4钛合金表面形貌、表面塑性变形程度、残余压应力场和疲劳寿命的影响。结果表明:与铸钢弹丸相比,陶瓷弹丸喷丸强化后TC4钛合金表面的起伏程度变化不大,但能有效地覆盖加工刀痕;随喷丸压力增大和喷丸时间延长,试样表面的累积塑性变形先快速增大后趋于饱和;当喷丸压力达到0.25 MPa、铸钢弹丸喷丸时间大于40 s或陶瓷弹丸喷丸时间大于80 s时,最大残余压应力可达到610 MPa,残余压应力场深度超过250μm;两种弹丸喷丸强化后,TC4钛合金的疲劳寿命分别可提高10倍和20倍以上。     

基于材料细观特性的TC4钛合金疲劳裂纹萌生寿命仿真

建立了TC4钛合金材料的疲劳裂纹萌生寿命的预测模型,并通过试验验证了此模型在预测TC4钛合金材料疲劳裂纹萌生寿命时的可行性.基于裂纹萌生的细观位错模型,采用Tanaka-Mura的开裂寿命公式,考虑了表面粗糙度,提出了分析TC4钛合金材料疲劳裂纹萌生的有限元模型,并通过实验验证仿真模型的有效性.结果 表明:模型裂纹萌生形式在不同载荷水平下存在差异,高应力水平状态下,模型除了主裂纹的萌生扩展还伴有大量独立微裂纹,裂纹密度大,而在低应力水平状态下,模型存在少量独立微裂纹,裂纹密度小.     

铣削对SLM增材TC4钛合金表面完整性和疲劳性能的影响

针对激光选区熔化(SLM)成形TC4钛合金表面质量差和疲劳性能低等问题,采用三点弯曲疲劳试验测试了铣削前后增材件的疲劳性能,研究了铣削工艺对增材件表面完整性和疲劳性能的影响规律。结果表明,增材件经过铣削加工后,表面粗糙度Ra由12.57μm降至0.32μm;表面硬度由353.0HV提高至434.3HV;疲劳寿命由48 272周次提高至155 463周次,疲劳源萌生位置由表面及次表面转移至内部,疲劳断裂模式由准解理断裂过渡到韧性断裂。增材件经铣削加工后,表面完整性得到极大的改善,可抑制疲劳裂纹的萌生和扩展,疲劳性能得到显著提升。     

激光冲击强化对TC4钛合金单面修饰激光焊接接头疲劳性能的影响

对TC4钛合金单面修饰激光焊接接头进行激光冲击强化,对比强化前后焊接接头的疲劳寿命,在光学显微镜和扫描电镜下观察断口疲劳断裂特征,并从焊接接头的显微硬度、微观组织、残余应力分布等方面综合分析激光冲击强化对TC4钛合金单面修饰激光焊接接头的强化机理。试验结果表明：未强化和强化试样均在焊缝咬边处萌生疲劳裂纹,强化试样疲劳寿命是未强化试样疲劳寿命的3.77~9.15倍,强化试样焊缝咬边处马氏体细化,显微硬度提高,焊缝表面呈残余压应力分布,焊缝咬边处残余压应力达-564.37±9.85MPa。晶粒细化和高幅值残余压应力综合作用下抑制了焊缝咬边处疲劳裂纹的萌生,且增大了裂纹扩展阻力,从而提高了焊接接头疲劳性能。     

表面粗糙度对激光选区熔化TC4钛合金疲劳性能的影响

针对沉积表面和机加表面激光选区熔化(SLM)成形TC4钛合金试验件,通过疲劳试验得到两种表面粗糙度下的细节疲劳额定值(DFR),同时借助扫描电镜研究表面粗糙度对SLM成形TC4疲劳性能的影响。结果表明:沉积表面的DFR值为235.1 MPa,机加表面的DFR值为283.3 MPa,后者疲劳性能优于前者。断口分析显示表面粗糙度对疲劳裂纹萌生方式影响显著,沉积表面疲劳裂纹源萌生于试验件的表面,断口粗糙,高低起伏比较明显,机加表面疲劳裂纹源起始于试验件内部,断口比较平坦。     

双相钛合金表面等离子渗铬强化层疲劳行为研究

为改善钛合金的耐磨性,使用真空辉光等离子体表面合金化技术,对双相钛合金TC4样品进行了等离子体铬化处理.通过纳米压痕对试样的局部硬度和模量进行了测定,并在给定载荷下利用旋转弯曲疲劳机对试样的疲劳性能进行评估.结果 表明:850 ℃下渗铬处理5h后获得的铬合金层由四个子层组成,即Cr沉积层,TiCr2层,Ti4 Cr层和Cr-Ti固溶层;相邻子层的弹性模量和硬度有显著差异,而等离子渗铬处理使TC4钛合金的疲劳性能变差;通过喷丸后处理可以增加等离子体铬化样品的疲劳寿命,这归因于该样品具有最高的残余压应力,显著的加工硬化以及良好的硬度与韧性平衡.