低温环境下TC4ELI钛合金三维疲劳裂纹扩展模型

利用疲劳试验机及扫描电镜研究了不同温度(20,-20,-40,-60℃)下不同厚度(12.5,9.0,6.0,3.0 mm)TC4ELI钛合金的疲劳裂纹扩展行为,建立低温环境下该合金的三维疲劳裂纹扩展模型。结果表明：由于闭合效应,减小厚度或降低温度均会减缓试验合金的疲劳裂纹扩展速率,Paris二维公式中的材料参数C和n并非常数;而在三维疲劳裂纹扩展理论框架下,修正后的Paris三维公式中的材料参数C_eff和n_eff均为常数,建立的三维疲劳裂纹扩展模型可以对不同温度下不同厚度试验合金的疲劳裂纹扩展行为进行归一化描述。     

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...     

激光焊接对TC4钛合金静强度与疲劳性能的影响

采用静拉伸与等幅疲劳试验,对TC4钛合金母材试样和激光焊接(聚焦焊后进行散焦焊接)试样的静强度和疲劳寿命进行了对比研究,得到了两种试样的静强度、中值疲劳寿命S-N曲线和95%可靠度下的安全寿命P-S-N曲线,并获得了两种试样在指定疲劳寿命106次循环下所对应的中值疲劳强度和安全疲劳强度。结果表明:与母材试样相比,激光焊接试样的静强度虽然有所提高,但疲劳寿命或疲劳强度却大幅降低。     

TC4板孔冷挤压强化残余应力分布与疲劳寿命

开展了不同挤压量下TC4钛合金板孔冷挤压强化有限元仿真研究,得到了挤压强化后最小截面的切向残余应力分布规律,分析了挤压量对受载试样孔边应力分布的影响,探讨了挤压量、残余应力和疲劳增益三者之间的内在关系。采用开缝衬套冷挤压强化工艺对TC4带孔板件进行冷挤压和疲劳验证试验。研究结果表明,挤压强化后的孔边切向压缩残余应力可以有效降低孔周应力集中程度,优化受拉试样最小截面应力分布,改变裂纹源的位置并延长疲劳裂纹的萌生和扩展寿命,有效提高试样疲劳寿命。综合仿真和疲劳试验得到TC4板孔最优挤压量为4%。     

TC21钛合金的疲劳裂纹扩展研究

建立了新型损伤容限性钛合金TC21的疲劳裂纹扩展模型;研究了疲劳裂纹扩展速率da／dN与疲劳裂纹扩展门槛值之间的关系。该模型预测了TC21钛合金的疲劳裂纹扩展速率,其预测结果与实验结果非常吻合。     

热处理对损伤容限型TC4钛合金疲劳性能的影响

本文利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)研究了不同的状态下损伤容限型TC4钛合金的疲劳性能。结果表明:损伤容限型TC4钛合金经过995℃/1hAC+550℃/4 h处理后得到魏氏组织,并且疲劳性能比原始状态和经900℃/1hAC+550℃/4h处理后都要好。从疲劳断口观察到,预裂区和快速扩展区主要是以微区解理断裂为主,稳态扩展区主要是以疲劳条带扩展机制为主,同时也存在微区解理断裂机制。     

钛合金结构疲劳全寿命计算方法研究

依照钛合金裂纹萌生和小裂纹扩展寿命较长的特点,结合目前的检测水平,将钛合金疲劳全寿命分为3个阶段,裂纹由0 mm～0.3 mm为裂纹萌生寿命,0.3 mm～2 mm为小裂纹扩展寿命,2 mm～aC为长裂纹扩展寿命。各阶段因为破坏机理的不同而采用不同的寿命预测方法,从而提高疲劳全寿命预测的准确性。超低间隙钛合金TC4ELI和TA15ELI等幅和谱载荷下疲劳全寿命试验和预测结果表明,裂纹萌生寿命在全寿命中所占比例最大,预测误差最大;长裂纹扩展寿命所占比例最小,预测精度最高;小裂纹扩展寿命所占比例稍大于长裂纹,预测误差大于长裂纹。等幅载荷和谱载荷下全寿命预测误差均符合工程结构疲劳寿命预测的精度要求。     

TC4钛合金低压渗氮研究

为了提高表面性能,对TC4钛合金进行低压渗氮处理。通过金相显微镜、X射线衍射(XRD)及显微硬度计分析了渗氮层的组织与硬度。结果表明,TC4钛合金经低压渗氮处理后,表面物相由Ti N、Ti2Al N、Ti3Al和α-Ti组成,渗氮温度较低时,渗氮层较薄,硬度较低,随渗氮温度升高,渗氮层厚度增加,表面硬度亦随之增加,温度为820℃时,表面硬度可达800~850 HV,硬化层深度为30μm~40μm,渗氮温度继续增加,渗氮层组织变得疏松,表面硬度开始下降。     

屈服强度与疲劳裂纹起始寿命间的关系

本文根据近期的理论和实验研究结果,阐明金属材料的屈服强度对疲劳极限、疲劳裂纹起始门槛值,以及长寿命范围内的疲劳裂纹起始寿命有重大影响。屈服强度高的材料,在低的循环应力和长寿命范围内,不论在恒幅或变幅载荷下均具有较长的疲劳裂纹起始寿命,因而总寿命也较长。因此,在机械和结构设计时应优先选用具有高屈服强度的材料;其次,还要考虑到材料要具有高的屈强比,以及抗拉强度与断面收缩率的积。在生产检验中应重点检验材料的屈服强度。应当说明的是,屈服强度以及本文所引的疲劳裂纹起始门槛值是按工程实用需要定义的,因而它们之间的关系是经验关系,缺少理论上严格的论证,所以还需作进一步的理论研究。     

TC4钛合金平面磨削力分析与验证

磨削力对磨削温度、砂轮磨损等有重要影响,是评判TC4钛合金磨削性能的关键指标。由于砂轮磨粒大小、形状差异以及分布的随机性,磨削过程难以定量表述,已有磨削力模型的推导大部分基于一定的假设,与实际存在偏差。通过磨屑变形力与磨粒横截面积的关系以及法向压力与压入深度的关系建立了单颗磨粒磨削力模型;基于磨屑的横截面积与工件体积去除率,建立单颗磨粒磨削力与单位宽度磨削力的联系,进一步推导出TC4钛合金的平面磨削单位宽度磨削力模型。结合实验数据,得到试验条件下的磨削力解析式。分析表明：法向磨削力的平均相对误差为4.9%,切向磨削力的平均相对误差为5.1%。     

钛合金TC4超声波振动切削有限元仿真

采用Johnson-Cook材料模型,以任意拉格朗日欧拉网格算法(ALE)实现切屑分离,建立了热应力耦合二维正交振动切削模型,并进行了钛合金TC4超声波振动稳态切削的有限元仿真,得到了振动切屑形状和切削力、切削温度的变化曲线,同时将振动切削与普通切削进行了对比分析,分析结果表明,振动切削中切屑变形系数、切削力、切削温度明显降低,剪切角增大.     

选择性激光熔化成形TC4钛合金开裂行为及其机理研究

裂纹是选择性激光熔化(Selective laser melting, SLM)成形Ti6-Al-4V(TC4)钛合金过程中最常见、破坏性最大的一种缺陷。采用逐行交替的扫描策略制备TC4钛合金试样,利用扫描电子显微镜及X射线能谱分析等检测方法,研究SLM成形TC4钛合金过程中裂纹的开裂行为及其形成机理。结果表明,SLM成形TC4钛合金所产生的裂纹为冷裂纹,具有典型的穿晶开裂特征。采用逐行交替扫描策略成形的TC4钛合金,其组织为网篮状马氏体组织。SLM成形过程中高温度梯度导致制件内部存在较高的残余应力,抗裂强度较差的马氏体组织在残余应力的作用下而产生裂纹,粗大的裂纹最终分解为较小的裂纹而终止扩展。进一步分析认为,通过调整成形工艺参数,可以改变制件组织,同时削弱残余应力,从而达到减弱或消除裂纹的目的。     

TC4钛合金相变温度的测定与分析

相变温度对钛合金加工工艺十分重要,钛合金加工需要进行热处理,对钛合金的相变温度范围需要计算出具体的数值。本文采用了计算法、差热分析法和连续升温金相法对钛合金试样进行了测定,取得了相变温度范围。文中对三种测试方法进行了分析,得出TC4钛合金的相变温度值为998℃。     

钛合金TC4低周疲劳连续损伤力学研究

基于Lemaitre损伤理论,利用改进的损伤演化模型和损伤解耦简化分析方法,对钛合金材料TC4(Ti6Al4A)进行等幅低周疲劳损伤演化的理论分析和试验研究.试验结果表明,TC4材料的明显循环软化阶段和宏观裂纹扩展阶段较短,在两者之间的稳定损伤演化阶段,随循环次数的增加,应力幅平稳、缓慢地降低,下降幅度不很大,该阶段构成低周疲劳寿命的主要部分;在典型低周疲劳阶段TC4材料损伤抗力较强,疲劳破坏对于连续损伤比较敏感.用简化的损伤力学分析方法,计算试件和元件的低周疲劳损伤和寿命,验证方法的有效性.所建议的方法比较简单,可用于具有类似疲劳破坏特点的材料与构件的损伤演化分析和寿命预测.     

新型TC4钛合金材料热处理工艺研究

钛合金经过热处理后有很高的比强度,随着武器装备的轻量化发展,钛合金的应用越来越多,急需进行钛合金热处理工艺技术研究。试验选择TC4钛合金,通过设计不同尺寸的工艺试件以及不同热处理工艺参数,对工艺试件进行试制。经过热处理试验,对试件热处理后的力学性能进行检测,并对热处理参数与力学性能指标进行分析。结果表明,在固溶温度910～930℃范围内,时效温度500～600℃范围内,温度变化对TC4钛合金力学性能影响较小。结合实际生产状况,优选出合理的新型TC4钛合金材料固溶、时效热处理工艺参数,确定出较优的热处理工艺参数为固溶温度范围910～920℃,时效温度范围520～560℃,掌握了钛合金热处理工艺技术,为武器装备未来发展需求奠定了基础。     

钛合金TC4放电加工电极损耗研究

针对钛合金TC4在火花油中放电加工电极损耗大的问题,以蒸馏水和火花油为工作介质,进行了钛合金TC4的放电加工试验,分析比较了两者的电极绝对损耗量和相对损耗率的差异,并从加工波形和加工后电极的表面微观形貌及主要成分等几个方面研究了电极损耗机制。结果表明:蒸馏水的绝缘性较差,而流动性和冷却性好,消电离较充分,改善了极间状态,加工稳定,使加工效率大大提高;另外加工过程中产生的少量氧化钛和从工件飞溅的蚀除产物附着在电极表面,形成覆盖层,有效抑制了电极损耗。其电极绝对损耗与火花油加工时相差不大但相对损耗却大大降低。     

TC4合金微动疲劳损伤研究

研究了TC4合金在柱面-平面接触务件下的微动疲劳行为，分析了其微动疲劳损伤机制。结果表明：在试验务件下，微动区边缘的损伤特征以粘着磨损为主，而微动区中部则以磨粒磨损和接触疲劳为主。疲劳裂纹易于在微动区．特别是在蚀坑处萌生和扩展。促使微动疲劳裂纹萌生的因素：一是法向应力和切向摩擦力引起的材料表层塑性变形，二是微动磨损破坏了材料的表面完整性，造成了缺口应力集中效应。     

基于有限元分析的裂纹比拟法估算微动疲劳寿命

采用Ansys有限元软件对方足微动桥/平面试样接触状态进行分析,确定试样微动接触面上应力场分布和接触面三区(黏着区、滑移区、张开区)分布特征,分析接触面上接触状态随外加交变载荷的变化规律,在此基础上改进微动疲劳(fretting fatigue,FF)寿命估算的裂纹比拟法(crack analogue method,CAM)。选取不同水平的循环载荷及不同名义接触压力对Ti811钛合金试样在350℃下进行微动疲劳试验,验证改进裂纹比拟法(modified crack analogue method,MCAM)的准确性。结果表明,微动疲劳中接触面压应力与剪应力在黏/滑交界区存在突变,张应力幅在滑移/张开分界处达到最大值,裂纹易在此萌生并扩展。改进的裂纹比拟法估算值与实验结果取得良好的一致性。     

TC4钛合金车削工艺参数优化

基于正交试验和极差分析的方法,以工件表面粗糙度Ra值为评判指标,研究了TC4钛合金粗加工切削参数,并通过单因素实验法进一步优选了其精加工切削参数,同时对相同切削参数下涂层和无涂层硬质合金刀具的磨损情况进行了分析。研究表明:TC4钛合金粗加工最优切削参数为:V_c=60m/min、a_p=0.4mm、f=0.1mm/r;TC4钛合金精加工最优切削参数为:V_c=60m/min、a_p=0.2mm、f=0.1mm/r;由于UE6020涂层硬质合金刀具的涂层中含有Ti C,其与工件中的Ti元素亲和扩散,致使UE6020涂层刀具的耐用度低于US735刀具。