TiAl合金高温疲劳小裂纹与长裂纹扩展行为

采用原位观察疲劳试验方法研究了变形TiAl合金在650℃下的三维小裂纹扩展行为,利用传统疲劳裂纹扩展试验方法研究了该合金在650～800℃温度范围内的长裂纹扩展行为。结果显示,650℃下,变形TiAl合金的三维小裂纹在低于长裂纹扩展门槛值的区域依然能够扩展,并且扩展速率高于长裂纹;位于试样棱边的横向机械加工刻痕是合金三维小裂纹萌生的主要位置之一,小裂纹在扩展过程中发生偏折并在偏折处合并,合金的疲劳寿命对试样表面的不规则条状加工缺陷不敏感;在650～800℃温度范围内,合金的疲劳长裂纹稳态扩展速率对温度变化不敏感,裂纹扩展过程均显示为解理断裂,裂纹扩展门槛值受韧/脆转变温度影响,韧/脆转变温度以下温度的门槛值较低。     

不同表面状态和热暴露对γ-TiAl合金疲劳性能的影响

研究了中等强度粗晶粒γ-TiAl合金Ti-46Al-5Nb-lW(at%)热暴露前、后不同表面加工状态下的疲劳性能。结果表明,热暴露前虽然绝大多数样品在σ_(max)σ_(0.2)的条件下进行疲劳,但是由于层片晶粒尺寸变化幅度大,容易在粗大的层片晶粒和软位向上,出现σ_(max)σ_(0.2)的局部异常情况,导致早期屈服并诱发裂纹萌生。因此,表面加工质量的改善对S-N疲劳强度的有益影响明显小于细晶粒合金。研宄还发现,热暴露中由于释氧和有序相相变引起的脆化效应并不明显,合金反而因样品在热浴中长期浸泡,导致残余应力释放和缺陷钝化而出现了疲劳性能增强的趋势。其增强的幅度和表面质量改善的程度相关。此外,该粗晶粒合金显示出较低的缺口敏感系数,在引入V型缺口后,其疲劳缺口敏感系数在热暴露前为0.27,热暴露后为0.32。     

Ce对Al－Li合金物理短裂纹扩展特性的影响

本工作研究了２０９０和８０９０合金名义门槛值、本征门槛值和闭合效应对裂纹尾迹的响应关系。Ａｌ－Ｌｉ合金具有优良的疲劳长裂纹门槛值和强的短裂纹效应，其物理本质是高的裂纹闭合效应和裂纹闭合效应的尾迹依赖性．２０９０合金微小裂纹的扩展抗力劣于７０７５合金，系因△Ｋｉ低；８０９０合金的△Ｋｉ与２０２４合金相当，其短裂纹扩展抗力相当或优于２０２４合金，微量稀土元素Ｃｅ可显著改善２０９０合金的本征门槛值，有益于裂纹闭合效应，较大幅度提高其疲劳长、短裂纹扩展抗力。Ｃｅ降低８０９０合金的本征门槛值，有损于其疲劳长、短裂纹扩展抗力。     

750℃热暴露对定向层片组织铸造TiAl合金室温拉伸塑性的影响

研究了大气中750℃,48~300 h热暴露对定向层片组织铸造TiAl合金室温拉伸塑性的影响,并采用拉伸中途卸载、染色渗透后再次加载直至断裂的方法,分析因表面脆性层诱发的微裂纹的形成和扩展行为,以揭示定向层片组织在热暴露后保持更好室温拉伸塑性的原因.结果表明,定向层片组织TiAl合金在750℃热暴露150 h后室温塑性仍大于2.0%,300 h热暴露后尚保持1.0%的水平,其热暴露致脆程度远小于双态组织和其它层片组织.在430 MPa应力下,微裂纹起源于脆性贫Al层,并在后续加载过程中扩展进入基体.此裂纹起到尖锐缺口的作用,约束了材料的塑性变形,导致TiAl合金室温拉伸塑性降低.对于定向层片组织,由于层片界面平行于基体表面,有利于抑制微裂纹在后续加载过程中向基体扩展,从而使合金在热暴露后保持较高的室温塑性.     

热暴露对近片层γ-TiAl合金在交变载荷下表面损伤容限的影响研究

研究了高强度的近片层γ-Ti Al合金Ti-44Al-4Nb-4Zr-0.2Si-1B长期热暴露(700℃,10000 h)前后的显微组织变化,并研究了表面缺陷对高周疲劳性能的影响。对长裂纹的疲劳起裂门槛值,引起疲劳失效的非安全尺寸的短裂纹范围进行分析,确定了该合金在热暴露下的表面缺陷的容忍限度。结果表明:热暴露能提升该合金光滑样品的疲劳强度,增加其对表面缺陷的敏感度。     

长期热暴露对不同表面状态的Ti-44Al-5Nb-1W-1B合金疲劳性能的影响

通过喷丸和电解抛光的方法处理Ti-44Al-5Nb-1W-1B(摩尔分数,%)合金,研究其在长期热暴露(10000 h,700℃)前后疲劳性能的变化。结果表明:在热暴露前,电解抛光处理比喷丸处理更能改善该合金的疲劳性能。经过长期热暴露后,两种表面处理样品的疲劳性能均出现不同程度的衰减,但电解抛光处理相对于喷丸处理能够更好地保持合金的疲劳性能。长期热暴露会导致合金表面发生氧化,合金内部发生"释氧脆化"和"B2+ω有序相生成脆化",这3种变化均对合金的疲劳性能产生不利影响。表面氧化使得喷丸工艺所引入的表层残余压应力在长期热暴露时明显降低,这导致疲劳性能大幅度衰减。相对而言,电解抛光工艺使合金获得光滑平整无缺陷的表面,无明显应力集中,因此合金有较高的抵抗热暴露性能衰退的能力。     

热处理对25Cr2NiMo1V钢疲劳特性的影响

对商用25Cr2NiMo1V钢进行了955℃淬火+665℃回火的高压端热处理(HP)和900℃淬火+625℃回火的低压端热处理(LP).通过疲劳实验测定了HP与LP试样疲劳门槛值和疲劳裂纹扩展速率.结果表明,在门槛值区,HP试样门槛值高于LP试样,而其裂纹扩展速率却低于LP试样,HP试样抵抗疲劳裂纹扩展能力高于LP试样.材料抗疲劳裂纹扩展能力的不同是由裂纹的闭合引起的,表面粗糙度诱发裂纹闭合为主要因素.HP试样中回火贝氏体的紧密分布,原始奥氏体晶粒较大以及LP试样中回火马氏体抵抗裂纹扩展能力相对较弱使HP试样中粗糙度诱发裂纹的闭合程度大于LP试样.在Paris区,HP与LP试样的扩展速率相近,裂纹扩展速率对材料微观组织和应力比的影响不敏感.     

Ce对Al—Li合金物理短裂纹扩展特性的影响

本工作研究了２０９０和８０９０合金名义门槛值、本征门槛值和闭合效应对裂纹尾迹的响应关系。Ａｌ－Ｌｉ合金具有优良的疲劳长裂纹门槛值和强的短裂纹效应，其物理本质是高的裂纹闭合效应和裂纹闭合效应的尾迹依赖性。２０９０合金微小裂纹的扩展抗力劣于７０７５合金，系因ΔＫｉ低；８０９０合金的ΔＫｉ与２０２４合金相当，其短裂纹扩展抗力相当或优于２０２４合金。微量稀土元素Ｃｅ可显著改善２０９０合金的本征门槛值，有益     

返回熔炼次数对K417G合金热疲劳性能的影响

采用100%的K417G镍基铸造高温合金返回料进行了4次返回熔炼,研究了不同返回次数K417G合金的热疲劳性能并对裂纹区域进行了观察。结果表明:合金的热疲劳裂纹在试样的V型缺口尖端附近萌生,主要沿晶界生长,主裂纹生长以裂纹尖端连续开裂的方式进行,裂纹扩展主要沿晶界碳化物长大。随热循环次数的增加,返回料合金的热疲劳裂纹扩展速度比新料合金快,四返合金的热疲劳裂纹扩展最快。经120次循环后,新料与返回料合金的热疲劳裂纹长度均超过1 mm。随返回次数的增加,合金中的氧含量增加导致非金属夹杂物数量增加,热疲劳裂纹的扩展速度加快,返回料合金的热疲劳裂纹越长。     

9Cr与CrMoV异种焊接接头疲劳裂纹扩展门槛值研究

裂纹扩展抗力是材料的内在属性,Paris的重要贡献是将ΔK引入疲劳裂纹扩展的研究,表明疲劳裂纹扩散的控制参数是应力强度因子ΔK。本试验异种焊接接头采用钨极氩弧焊(TIG)进行打底焊接,而后采用埋弧自动焊进行多层多道焊接,焊后进行相应的回火处理,之后随炉自然冷却。实验材料为9Cr钢母材、Cr Mo V母材和两侧的热影响区及焊缝区。按照降K法进行测试,应力比分别设定为0.5、0.7、0.9,在近门槛值区域进行多次测量,通过线性回归法拟合出直线方程,由此计算出疲劳扩展门槛值,可反映该焊接条件下9Cr与Cr Mo V异种材料接头的疲劳裂纹扩展行为。     

铸造镍基高温合金K445的热疲劳行为

利用开有V形缺口的平板试样,研究了新型铸造镍基高温合金K445在最高温度分别为800,850,900℃,最低温度为室温的热循环下的热疲劳行为．通过光学显微镜和扫描电镜观察合金的组织和热疲劳裂纹形貌,研究热疲劳损伤机制．结果表明,热疲劳主裂纹主要从V形缺口处萌生,沿晶界扩展,而二次裂纹则穿晶扩展．当最高循环温度为800℃时,碳化物的组成和分布起主要作用,（Ti,Ta）C型碳化物的开裂处以及碳化物与基体的界面处是裂纹优先扩展区域．当最高循环温度为900℃时,高温氧化起重要作用,应力辅助作用下的晶界氧脆是主要损伤机制．     

表层强度及其对疲劳的影响

光滑试件疲劳时因表面处于平面应力状态其屈服强度比整体材料低，首先发生滑移，因而造成疲劳损伤，达到一定疲劳周次后积累的损伤导致断裂，因而表层屈服强度和疲劳极限之间存在对应关系。缺口试件引入残余压应力，由于应力集中效应，缺口根部的残余应力集中系数可能高于理论应力集中系数，因而其疲劳强度将超过最高的光滑试件疲劳强度。考虑残余应力对裂纹扩展的作用时应计及其衰减的作用。     

离心铸造LGJW20钢结硬质合金热疲性能研究

在自约束型热疲劳试验机上对LGJW20钢结硬质合金进行了热疲劳试验,借助金相分析、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)等方法观察了合金的显微组织,重点研究了LGJW20的热疲劳性能表现,分析了热处理工艺对合金热疲劳性能的影响。结果表明:合金中硬质相主要由鱼骨状共晶碳化物、网状二次碳化物及大块状碳化物组成;合金的热疲劳裂纹在缺口根部萌生,以一条主裂纹形式沿碳化物扩展;合适的热处理工艺能提高基体的高温屈服强度,改善合金的组织结构,提高了合金的热疲劳性能。LGJW20经过980℃淬火、200℃回火处理后热疲劳性能最佳。     

保温时间和缺口半径对DZ951合金热疲劳性能的影响

通过扫描电子显微镜研究了保温时间和缺口半径对DZ951合金热疲劳性能的影响。结果表明,在相同上限温度下,随着保温时间的延长,合金裂纹萌生次数增加,热疲劳抗力提高。铸态合金热疲劳裂纹在碳化物处萌生。热处理合金通过氧化萌生裂纹。裂纹萌生后,主要通过氧化产生孔洞并通过孔洞相互连接使裂纹扩展。热疲劳裂纹沿着与枝晶生长方向呈45°角扩展。热处理合金具有优异的热疲劳性能。随着缺口半径的增加,应力集中减小,合金热疲劳性能提高。     

35CrMo钢复合型裂纹的疲劳门槛值

研究了35CrMo钢试样在860℃淬火＋不同温度回火态的复合型裂纹疲劳门槛值。采用对称四点弯曲测定Ⅰ型、反对称四点弯曲测定Ⅰ＋Ⅱ型、斜裂纹对称四点弯曲测定Ⅰ＋Ⅲ型裂纹的疲劳门槛值。试验结果表明：35CrMo钢各种回火组织的Ⅰ＋Ⅱ和Ⅰ＋Ⅲ型疲劳门槛值均低于相应的Ⅰ型疲劳门槛值。Ⅰ型尖裂纹的疲劳门槛值比钝裂纹的低，但Ⅰ＋Ⅲ复合型尖裂纹的疲劳门槛值比钝裂纹的高。35CrMo钢疲劳门槛值随回火温度升高出现峰值。Ⅰ型和Ⅰ＋Ⅲ型在400℃回火态最高，Ⅰ＋Ⅱ型在550℃回火态最高。疲劳门槛值既受强度制约也与塑性有关．对应强度升高的速率与塑性变形两个因素配合适宜时出现峰值。     

STUDY ON FATIGUE CRACK GROWTH BEHAVIOR OF HIGH AND LOW-STRENGTH STEELS

本文研究了5C钢和两种不同强度的40CrNiMo钢长、短裂纹近门槛区域的疲劳裂纹扩展性能。并测定了它们的闭合效应和断面粗糙度,结果表明:长、短裂纹的扩展速率和门槛值差别与钢强度有关,5C钢短裂纹的门槛值只是长裂纹的一半。长、短裂纹疲劳特性的差别可用闭合效应来解释。     

高、低强度钢疲劳短裂纹扩展特性

本文研究了5C钢和两种不同强度的40CrNiMo钢长、短裂纹近门槛区域的疲劳裂纹扩展性能。并测定了它们的闭合效应和断面粗糙度,结果表明:长、短裂纹的扩展速率和门槛值差别与钢强度有关,5C钢短裂纹的门槛值只是长裂纹的一半。长、短裂纹疲劳特性的差别可用闭合效应来解释。     

稀土元素Ce对H13钢热疲劳性能的影响

对不同Ce含量的H13钢进行1040℃油淬和580℃两次回火处理后进行热疲劳循环试验，采用光学显微镜、扫描电镜及硬度计对不同热疲劳循环次数下试验钢的显微组织、裂纹形貌及硬度进行分析。结果表明，试验钢热疲劳循环后显微组织为回火索氏体，热疲劳裂纹优先在预先处理的缺口尖端处萌生，热疲劳循环过程中出现的氧化凹坑和夹杂物会促使裂纹生成，裂纹不断扩展，宽度增加。稀土Ce对试验钢组织和晶粒尺寸有明显的细化作用，提升试验钢的抗软化能力，抑制热疲劳裂纹的生长，其中最佳稀土Ce含量为0.026%。     

2Cr13钢的疲劳裂纹萌生与扩展行为

通过对2Cr13钢进行疲劳裂纹萌生与扩展速率试验,获得该钢在两种不同调质处理下的疲劳裂纹萌生寿命Ni的回归方程、疲劳裂纹萌生门槛值以及裂纹扩展速率da/dN表达式。结果表明,与970℃淬火+710℃回火×6h工艺相比,2Cr13钢在970℃淬火+640℃回火×5h处理后的缺口疲劳裂纹萌生抗力有所改善;当应力强度因子较低时,在640℃×5h回火时的2Cr13钢的疲劳裂纹扩展抗力稍好一些;当应力强度因子较高时则反之。     

缺口取向和再结晶对一种定向凝固钴基高温合金热疲劳性能的影响

在定向凝固钴基高温合金中采用V型缺口分别垂直和平行于凝固方向的板状热疲劳试样,并在缺口位置预制再结晶组织,研究了在最高温度为1000℃,最低温度为室温的冷热循环下,缺口取向和再结晶对定向凝固钴基高温合金热疲劳性能的影响.结果表明,缺口取向垂直于凝固方向时,基体在应力作用下循环氧化开裂;缺口平行于凝固方向时,热疲劳性能下降,裂纹沿枝晶间扩展.再结晶降低定向凝固钴基高温合金的热疲劳性能,再结晶晶界氧化开裂,晶界析出的M23C6型碳化物氧化脱落后形成的孔洞加速了裂纹扩展;连接枝晶间碳化物的再结晶晶界成为缺口平行于凝固方向时热疲劳裂纹的优先扩展通道.