压气机叶片TC4钛合金超高周疲劳失效机制及强度-寿命预测方法

发布时间：2017-05-22 13:11

  本文关键词：压气机叶片TC4钛合金超高周疲劳失效机制及强度-寿命预测方法，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：作为航空发动机的重要部件,压气机叶片在服役期间承受着高温、高频且超长周次的载荷作用,频频发生疲劳断裂事故。TC4钛合金因其低密度、高比强度、优良的耐热性和耐腐蚀性等突出优点,而成为航空发动机用压气机叶片制造的最重要材料之一。因此,从压气机叶片长期服役安全性的角度考虑,深入研究其结构材料TC4钛合金在服役工况下的疲劳损伤行为及失效机制,对压气机叶片的可靠性设计及疲劳寿命预测具有重要的指导意义。本文首先开展了TC4钛合金材料在室温、五种应力比下的轴向加载超高周疲劳试验,并利用扫描电子显微镜对试样断口进行了观测和分析,明确了应力比对该材料超高周疲劳S-N特性和裂纹萌生及扩展机制的影响。结果表明:当R=-1时,TC4钛合金疲劳试样的失效模式全部为表面起裂,而当R≥-0.3时,S-N曲线均呈现表面起裂和内部起裂的双重S-N特性;随着应力比的增加,该材料疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth和断裂韧度Kc均呈增大趋势;该材料在室温下表现出三种疲劳失效模式,分别为表面滑移失效、表面解理失效和内部解理失效,其发生概率与应力比之间有一定关系。其次,研究了TC4钛合金在150℃和200℃两种温度下的轴向加载超高周疲劳试验,并对试样断口进行了观测和分析,明确高温对该材料超高周疲劳S-N特性和裂纹萌生及扩展机制的影响。结果表明:在150℃和200℃两种温度下,该材料呈现出四种疲劳失效模式,即表面滑移失效、表面解理失效、内部滑移失效和内部解理失效;随着温度的升高,TC4钛合金材料的疲劳强度逐渐降低,但随着应力比的增大,这种趋势越来越不明显;该材料表面缺陷的应力强度因子范围ΔK与温度无关,疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth与断裂韧度Kc均随着温度的升高而降低。第三,根据对TC4钛合金材料室温断裂试样断口的微观形貌观测,并虑及内部起裂和表面起裂两种疲劳失效模式的差异,分别对其疲劳裂纹萌生及扩展两个阶段的疲劳寿命进行了分析,建立了一种综合这两个阶段的疲劳裂纹萌生-扩展总寿命计算模型。研究表明:在高应力区,疲劳裂纹的扩展过程所经历的应力循环次数占疲劳总寿命的绝大部分,而在低应力区,疲劳裂纹的萌生过程所经历的应力循环次数占疲劳总寿命的绝大部分;根据该萌生-扩展总寿命计算模型预测的疲劳寿命与试验寿命的偏差在3倍范围以内,其合理性被证明。最后,针对TC4钛合金材料超高周疲劳试验所表现出的双重S-N特性,对一种仅适用于具有单一S-N特性材料疲劳强度预测的能量法模型进行了修正,修正后的模型对TC4钛合金材料的疲劳强度和S-N曲线的预测结果均比较符合疲劳试验值。
【关键词】：TC4钛合金 超高周疲劳 应力比 高温 失效机理 寿命预测
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V232;V231.9
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 研究背景11
• 1.2 研究目的和意义11-12
• 1.3 国内外研究现状12-17
• 1.3.1 疲劳的发展概况12-14
• 1.3.2 TC4钛合金的超高周疲劳性能研究进展14-17
• 1.3.3 已有研究工作存在的问题与不足17
• 1.4 研究内容及方法17-19
• 第2章 应力比对TC4钛合金超高周疲劳特性及失效机制的影响19-41
• 2.1 材料及试验方法19-21
• 2.1.1 材料及试样19
• 2.1.2 微观组织19-20
• 2.1.3 力学性能20-21
• 2.1.4 疲劳试验方法21
• 2.2 试验结果与分析21-39
• 2.2.1 疲劳S-N特性21-24
• 2.2.2 典型试样断.观察24-25
• 2.2.3 疲劳失效模式25-28
• 2.2.4 疲劳裂纹特征尺寸28-32
• 2.2.5 疲劳裂纹应力强度因子特征值评估32-36
• 2.2.6 竞争失效机制评估36-39
• 2.3 本章小结39-41
• 第3章 高温对TC4钛合金超高周疲劳特性及失效机制的影响41-51
• 3.1 材料及试验方法41
• 3.2 试验结果与分析41-50
• 3.2.1 疲劳S-N特性41-43
• 3.2.2 典型试样断.观察43-46
• 3.2.3 疲劳裂纹特征尺寸46-48
• 3.2.4 疲劳裂纹应力强度因子特征值评估48-50
• 3.3 本章小结50-51
• 第4章 基于裂纹萌生及扩展机制的疲劳寿命预测方法51-80
• 4.1 疲劳裂纹萌生寿命预测51-68
• 4.1.1 疲劳裂纹萌生寿命预测模型51-58
• 4.1.2 预测结果及分析58-68
• 4.2 疲劳裂纹扩展寿命预测68-77
• 4.2.1 疲劳裂纹扩展寿命预测模型68-71
• 4.2.2 预测结果及分析71-77
• 4.3 疲劳总寿命预测77-79
• 4.4 本章小结79-80
• 第5章 基于能量法的超高周疲劳强度评估及S-N曲线构建方法80-87
• 5.1 原理与假设80-81
• 5.2 模型推导81-86
• 5.2.1 能量法模型81-82
• 5.2.2 模型修正82
• 5.2.3 预测结果及分析82-86
• 5.3 本章小结86-87
• 第6章 结论87-89
• 6.1 总结87-88
• 6.2 创新点88
• 6.3 展望88-89
• 参考文献89-96
• 攻读硕士学位期间发表的论文与研究成果清单96-98
• 致谢98

【共引文献】

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1 Chengqi Sun;Xiaolong Liu;Youshi Hong;;A two-parameter model to predict fatigue life of high-strength steels in a very high cycle fatigue regime[J];Acta Mechanica Sinica;2015年03期

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本文编号：385796