超声载荷下TC4钛合金的疲劳寿命分析

通过计算裂纹尖端应力强度因子及疲劳裂纹扩展速率da/d N,由C.Paris模型推导出安全寿命Nf,由Bathias公式计算"哑铃"状钛合金试样的裂纹扩展寿命。通过理论计算和有限元分析超声疲劳"哑铃"状试样,得出应力最大位置。利用有限元仿真和实验数据分析TC4钛合金疲劳寿命。在20 k Hz的超声疲劳试验中,试样的断口位置表明:TC4钛合金材料内部缺陷是试样萌生裂纹使断裂位置偏离最大应力处的主要原因。并得出疲劳裂纹萌生阶段寿命决定"哑铃"状试样的疲劳寿命。     

基于内部失效机理预测评估渗碳Cr-Ni齿轮钢的超高周疲劳强度

对渗碳Cr-Ni齿轮钢进行应力比为0和0.3的室温超高周疲劳实验,观测试样中诱发裂纹萌生的夹杂和疲劳断口形貌,以全面评估渗碳Cr-Ni齿轮钢疲劳性能。将疲劳失效模式分为有细颗粒区(Fine granular area,FGA)的内部疲劳失效和有表面光滑区(Surface smooth area, SSA)的表面疲劳失效,并阐明了渗碳Cr-Ni齿轮钢的超高周内部疲劳破坏机制。基于累积损伤和位错能量法并结合细颗粒区形成机理和夹杂的最大评估尺寸,分别构建了两种渗碳Cr-Ni齿轮钢内部疲劳强度的预测模型。利用FGA尺寸与夹杂尺寸的比值和夹杂应力强度因子及应力比之间的关系,修正所提出的两种疲劳强度预测模型并给出了最大夹杂尺寸下的l_FGA-S-N曲线。结果表明,基于累积损伤法和位错能量法分别构建的疲劳强度预测模型都可用于预测评估渗碳Cr-Ni齿轮钢在多种应力比下的内部疲劳强度,基于位错能量法的强度预测模型精度较高。     

再次喷丸周期对TC18钛合金疲劳寿命的影响

研究了再次喷丸对于经过预先喷丸的TC18钛合金残余应力和室温疲劳寿命的影响。使用X射线衍射仪和旋转弯曲疲劳机测定了再次喷丸后的合金的表面残余应力以及总疲劳寿命。结果表明,疲劳试验会使预先喷丸的TC18钛合金疲劳试样表面残余压应力松弛30%～50%,而再次喷丸可以使由于疲劳而松弛的表面残余压应力回复到疲劳试验前试样的50%～70%。此外,相比未经过再次喷丸的试样,选择合适的再次喷丸周期可使TC18钛合金的总疲劳服役寿命提高了75%。     

基于超高周疲劳多元化失效模式的概率S-N曲线模型构建方法EI北大核心CSCD

对渗碳Cr Mn钢开展了超高周疲劳试验,通过观察断口发现其失效模式分为表面裂纹诱发失效、内部夹杂导致的高周疲劳（5×10^4〈N^10^7）失效以及超高周疲劳（N〉10^7）三种。该文假设每一种失效模式的S-N曲线均相互独立,并基于混合Weibull分布以及Basquin和三参数S-N曲线模型,分别构建出了渗碳Cr Mn钢三种失效模式各自的概率S-N曲线及综合反映渗碳Cr Mn钢多元化失效模式的概率S-N曲线。与试验数据相比,99%存活概率的P-S-N曲线在超长寿命区给出了较为安全的寿命预测。     

TC4钛合金应变疲劳试样的机加工工艺及疲劳试验

为了高效地获得能够满足航天航空材料检测领域较高要求的疲劳试样,参考相关标准提出了一种实用高效的TC4钛合金应变疲劳圆棒试样的机加工工艺,并通过表面粗糙度、表面加工痕迹、试样表面状态以及表面残余应力等物理参量对TC4钛合金疲劳试样的表面完整性进行了评价,最后通过液压伺服试验系统进行了应变疲劳试验来表征其疲劳性能。结果表明:使用该机加工工艺所加工的疲劳试样,能够满足航天航空材料检测领域对疲劳试样的较高要求;试样表面的残余压应力在一定程度上增加了TC4钛合金的疲劳性能,同时在大批量制样时可以高效地获得较为稳定、可靠的表面质量,可为实验室有效地控制疲劳试样的加工质量提供参考。     

乙醇对TC4钛合金超高周疲劳性能的影响

利用超声疲劳试验方法分别对室温下医用酒精(体积分数75%)中浸泡5min、医用酒精浸泡5min后再在生理盐水中浸泡24h、直接在生理盐水中浸泡24h、分析纯乙醇(体积分数99.9%)中浸泡6h、医用酒精中浸泡6h等处理条件下退火态Ti6Al4V(TC4)钛合金的超高周疲劳性能进行了研究,并利用扫描电子显微镜(SEM)观察疲劳断面形貌,分析了TC4钛合金的疲劳断裂特性。结果表明:在104~109周次范围内,经医用酒精处理后TC4钛合金的S-N曲线呈现一次阶梯下降型,而未用医用酒精处理的TC4钛合金的S-N曲线呈现缓慢下降型;在300~700 MPa应力范围内,医用酒精浸泡过的TC4钛合金试样疲劳寿命快速下降;医用酒精处理后的TC4钛合金的超高周疲劳断裂全部从表面发生、断面较光滑且瞬断区面积占比极小,不同于未接触医用酒精的TC4钛合金试样的穿晶塑性断裂。     

基于超高周疲劳多元化失效模式的概率S-N曲线模型构建方法

对渗碳Cr Mn钢开展了超高周疲劳试验,通过观察断口发现其失效模式分为表面裂纹诱发失效、内部夹杂导致的高周疲劳(5×104N10~7)失效以及超高周疲劳(N10~7)失效三种。该文假设每一种失效模式的S-N曲线均相互独立,并基于混合Weibull分布以及Basquin和三参数S-N曲线模型,分别构建出了渗碳Cr Mn钢三种失效模式各自的概率S-N曲线及综合反映渗碳Cr Mn钢多元化失效模式的概率S-N曲线。与试验数据相比,99%存活概率的P-S-N曲线在超长寿命区给出了较为安全的寿命预测。     

钛合金疲劳试样加工残余应力的表征及其对低周疲劳寿命的影响

目的 探究钛合金TC4低周疲劳试样加工过程中残余应力的变化及残余应力对低周疲劳寿命的影响.方法 采用X射线衍射法分别对车、磨、抛后的试样进行表面残余应力的表征,分析加工工艺对其的影响,利用液压伺服万能试验机进行低周疲劳试验,分析其表面残余应力对寿命的影响.结果 经过粗车、精车、磨削、纵抛,试样加工表面的残余应力不断减小...     

孔强化对TC18钛合金疲劳寿命的影响

为提高TC18钛合金带孔零件的疲劳寿命,使用基体和焊缝上开孔的TC18钛合金试样,研究孔挤压和孔喷丸强化前后的表面残余应力,孔强化工艺对试样疲劳寿命的影响以及试样疲劳断口.研究表明,对基体和焊缝上的孔进行喷丸强化处理后,孔表面残余压应力值达到-300MPa以上,由于残余压应力和表面完整性的作用,孔喷丸强化效果比挤压强化...     

TC11钛合金全范围疲劳裂纹扩展速率表征

通过疲劳裂纹扩展试验研究了TC11钛合金在不同取向及应力比下的疲劳裂纹扩展行为。结果表明:在相同应力强度因子的情况下,随着应力比的增大,TC11钛合金的疲劳裂纹扩展速率增大。通过TC11钛合金的拉伸性能对裂纹扩展门槛值进行估算,得到了可以对TC11钛合金进行全范围疲劳裂纹扩展速率预测的疲劳裂纹扩展模型,为进一步估算其疲劳寿命提供了依据。     

拉-拉疲劳载荷下钛合金湿喷丸的残余应力松弛及再次喷丸工艺EI北大核心CSCD

采用湿法喷丸强化工艺(wet shot-peening)对TC4钛合金表面进行处理,研究高、低周的拉-拉疲劳过程中合金残余应力松弛规律,探讨再次喷丸工艺(re-shot-peening,RSP)对疲劳寿命的影响。结果表明:在拉应力载荷状态下,残余压应力依然发生松弛现象。疲劳载荷水平对喷丸TC4钛合金残余压应力场(CRSF)的松弛速率、松弛程度和松弛范围具有重要影响。高周疲劳(HCF)过程中残余应力松弛主要发生在近表层0~30μm,松弛速率较慢。低周疲劳(LCF)过程中残余应力松弛发生在0~80μm,范围更大,速率更快。RSP周期对于TC4钛合金的疲劳寿命也具有较大影响。在25%和50%初始喷丸疲劳寿命进行RSP处理会显著提高疲劳寿命,而在75%初始喷丸疲劳寿命处进行RSP处理对于疲劳寿命基本没有影响。此外,RSP的强化效果与疲劳载荷水平相关,对于高周疲劳寿命提高明显。     

Evaluation of fatigue life for titanium alloy TC4 under variable amplitude multiaxial loading

Fatigue tests under variable amplitude multiaxial loading were conducted on titanium alloy TC4 tubular specimens. A method to estimate the fatigue life under variable amplitude multiaxial loading has been proposed. Multiaxial fatigue parameter based on Wu–Hu–Song approach and rainflow cycle counting and Miner–Palmgren rule were applied in this method. The capability of fatigue life prediction for the proposed method was checked against the test data of TC4 alloy under variable amplitude multiaxial loading. The prediction results are all within a factor of two scatter band of the test results.     

TC4钛合金选区激光熔化与层间激光冲击强化复合工艺

目的 改善激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)工艺成形的TC4合金的内部缺陷,提高疲劳寿命。方法 选用TC4钛合金为研究对象,提出了SLM结合层间激光冲击(3D-Laser Shock Peening,3D-LSP)与热处理的强化工艺,对复合制造工艺下的微观组织、内部缺陷和力学性能演变进行了研究,并建立了复合强化工艺制造样品的疲劳寿命模型。结果 在激光冲击影响区域内形成了0.2 mm深度的高幅值残余压应力,并在1 mm深度范围内改善了应力场,且显微硬度得到了提升,内部缺陷数量减少了36%,疲劳寿命提升了40%以上。结论 实现了SLM增材制造TC4钛合金的缺陷在线闭合、微观组织改性和疲劳寿命的提升,揭示了层间激光冲击对内部缺陷的闭合机理,为金属SLM复合增材制造的研究与应用奠定了理论基础。     

Effects of intermittent loading time and stress ratio on dwell fatigue behavior of titanium alloy Ti-6Al-4V ELI used in deep-sea submersibles

Different components of deep-sea submersibles,such as the pressure hull,are usually subjected to inter-mittent loading,dwell loading,and unloading during service.Therefore,for the design and reliability assessment of structural parts under dwell fatigue loading,understanding the effects of intermittent loading time on dwell fatigue behavior of the alloys is essential.In this study,the effects of the inter-mittent loading time and stress ratio on dwell fatigue behavior of the titanium alloy Ti-6Al-4V ELI were investigated.Results suggest that the dwell fatigue failure modes of Ti-6Al-4V ELI can be classified into three types,i.e.,fatigue failure mode,ductile failure mode,and mixed failure mode.The intermittent loading time does not affect the dwell fatigue behavior,whereas the stress ratio significantly affects the dwell fatigue life and dwell fatigue mechanism.The dwell fatigue life increases with an increase in the stress ratio for the same maximum stress,and specimens with a negative stress ratio tend to undergo ductile failure.The mechanism of dwell fatigue of titanium alloys is attribute to an increase in the plastic strain caused by the part of the dwell loading,thereby resulting in an increase in the actual stress of the specimens during the subsequent loading cycles and aiding the growth of the formed crack or damage,along with the local plastic strain or damage induced by the part of the fatigue load promoting the cumu-lative plastic strain during the dwell fatigue process.The interaction between dwell loading and fatigue loading accelerates specimen failure,in contrast to the case for individual creep or fatigue loading alone.The dwell fatigue life and cumulative maximum strain during the first loading cycle could be correlated by a linear relationship on the log-log scale.This relationship can be used to evaluate the dwell fatigue life of Ti alloys with the maximum stress dwell.     

3D打印钛合金孔挤压试验分析

孔挤压试验是通过模拟螺栓、销钉、铆钉与构件结合时的受力情况,针对检测构件部分承受的载荷而提出的一种试验方法。该文通过试验对3D打印钛合金TC4的孔挤压试验特性进行研究和分析,并采用对比试验的形式,研究3D打印钛合金孔挤压试验中试样厚度、孔径、孔边距及边距比对试验结果的影响。通过对实验数据的分析整理,建立数学关系式,明确试样厚度、孔边距、孔径以及孔挤压最大载荷4个参数之间的关系。分析试样的失效形式,描述孔挤压试验可能造成的3种裂纹形式,并对这3种裂纹的形成原因进行分析和研究。     

High‐cycle and very‐high‐cycle fatigue behaviour of a titanium alloy with equiaxed microstructure under different mean stresses

The fatigue behaviour of a titanium alloy Ti‐6Al‐4V with equiaxed microstructure (EM) under different values of tensile mean stress or stress ratio (R) was investigated from high‐cycle fatigue (HCF) to very‐high‐cycle fatigue (VHCF) regimes via ultrasonic axial cycling. The effect of mean stress or R on the fatigue strength of HCF and VHCF was addressed by Goodman, Gerber, and Authors' formula. Three types of crack initiation, namely, surface‐with‐RA (rough area), surface‐without‐RA, and interior‐with‐RA, were classified. The maximum value of stress intensity factor (SIF) at RA boundary for R < 0 keeps constant regardless of R in HCF and VHCF regimes. The SIF range at RA boundary for R > 0 also keeps constant regardless of R in VHCF regime, but this value decreases linearly with the increase of R for surface RA cases. The microstructure observation at RA regions gives a new result of nanograin formation only in the cases of negative stress ratios for the titanium alloy with EM, which is explained by the mechanism of numerous cyclic pressing.     

梯度钛合金裂纹扩展速率测试及梯度对扩展寿命影响

为明确梯度材料中裂纹扩展速率分布情况,对含裂纹TC11-TC4以及TA15-TA2两种组合梯度钛合金进行标准三点弯疲劳试验。试验结果表明:梯度结构中不同部位的相同组分扩展性能相同,给出了4种3D打印组分钛合金的Paris公式;梯度材料组分弹性模量的变化会改变裂纹尖端应力强度因子,对位于模量较低一侧的裂纹扩展有抑制作用;过渡层影响厚度范围内裂纹扩展速率介于两种组分之间且连续过渡,表明梯度材料可以消除异种材料连接的界面效应,提出基于组分材料体积分量的混合率描述梯度层中扩展性能的分布规律;恒定载荷试验中仅扩展方向不同情况下寿命有显著差别,验证了合理安排梯度参数可提高结构出现裂纹后的生存能力,其中扩展性能以及模量的变化分布对扩展寿命均有影响。