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北京快三预测码:加載頻率對TC4鈦合金疲勞強度的影響

更新時間:2018/11/01 10:16:30    瀏覽次數: 2754     文章來源: 搜鈦網

北京快三开奖最快的 www.hznmv.icu [ ]TC4鈦合金進行了超聲疲勞試驗和旋轉彎曲疲勞實驗,在108周次內沒有發現工程上的疲勞極限,試樣在應力循環超過107周次后依然會失效。從整體上看,在相同的應力條件下,低頻條件下試樣疲勞壽命高于高頻疲勞試樣壽命。在超聲加載頻率下,試樣破壞方式主要表現為脆性破壞;在低頻條件下,試樣從高應力幅低壽命區域向低應力幅高壽命區域發展的過程中,破壞方式逐漸由脆性破壞向塑性破壞方式轉變。 

[關鍵詞]TC4鈦合金,加載頻率,疲勞強度 

引言 

鈦合金具有密度小,強度高等優異性能,在航空中的應用極為廣泛,尤其是用于制造航空發動機風扇和壓氣機的輪盤與葉片等構件。當鈦合金用于飛機發動機渦輪葉片時,這些部件在服役期間除了要承受一定的溫度載荷外,還要達到承受超過107周次應力循環的要求。美國空軍已經在“發動機結構完整性大綱 ENSIPEngine Structural Integrity Pro-gram)”中規定“發動機部件的高周疲勞壽命應達到109 循環周次”[1],目前工程上根據107所對應的疲勞極限來進行設計越來越凸顯出不足。國內外有許多學者對鈦合金的疲勞性能進行過研究[2-6],包括加載頻率[7]對疲勞壽命的影響方面做了相關的研究。關于頻率對疲勞壽命是否有影響,不同的學者根據自己的研究結果,所持的觀點也不同。Miller[8]等認為,溫度的影響將使實驗結果不能與常溫下的結果做比較。Bathias[9]則認為在107周次以上的疲勞試驗中,由于塑性應變非常小,所引起的溫度變化可以忽略不計。Liaw P K[10]等的研究表明,壓力容器鋼的高頻加載疲勞強度低于低頻加載的情況。何玉懷等[11]的研究結果顯示加載頻率的改變對直接時效GH4169高溫合金疲勞裂紋擴展性能基本沒有影響。因此對于加載頻率對疲勞壽命是否有影響,還需要做進一步的研究。本實驗對TC4鈦合金選取了兩種不同加載頻率的試驗方法,做了超聲疲勞實驗和旋轉彎曲疲勞實驗,對結果做了對比分析,得到了相關的結論。 

1 試樣的制備與試驗方法 

本試驗采用的是650℃退火1.5hTC4鈦合金,抗拉強度為959MPa,屈服強度為941MPa?;С煞鄭?/span>wt%)為:6.0Al,4.0V,0.15Fe,0.10C,0.01N,0.015H,0.13O,余Ti。 

根據諧振動力學微分方程[12]設計試樣如下,超聲疲勞試樣中間部分用圓弧代替。超聲疲勞實驗采用島津USF-2000型超聲疲勞試驗機在室溫下進行,同時實驗采用壓縮空氣降溫法,防止超聲實驗時試樣溫度升溫過高[13,14],同時設置間歇比為110(試驗機工作110毫秒,停歇1100毫秒)。旋轉彎曲疲勞實驗采用四聯式旋轉彎曲疲勞試驗機,試樣如圖2所示,實驗在常溫下進行。試驗應力比均為R=-1。試驗結束后,對試樣斷面進行超聲波清洗處理,最后在掃描電鏡下進行斷口觀察。 

2.實驗結果與討論 

2.1 S-N曲線 

從圖3超聲疲勞實驗和旋轉彎曲疲勞實驗的S-N曲線對比來看,兩種實驗條件下,在超過108周次后,試樣依然發生失效,在108應力循環周次內沒有出現工程上的疲勞極限。同時從整體上看,低頻試樣的疲勞壽命整體上要高于高頻疲勞試樣,類似的結果也在Liaw P K[10]的研究中出現過。 

本實驗的結果顯示,兩種加載頻率下,試樣的疲勞壽命有一定的區別。加載頻率對試樣的壽命是如何影響的。一般來說頻率對疲勞壽命的影響主要通過兩個方面來體現,一是高的加載頻率實驗時試樣可能會產生升溫,當溫度達到一定程度后會對材料的屬性產生影響,進而影響材料的疲勞壽命;二是高的頻率會對材料的應變產生影響,采用超聲疲勞試驗方法,頻率達到20kHz,如此高的頻率下,有可能材料的應變速率跟不上頻率的變化,從而影響材料的疲勞壽命。本實驗的結果顯示頻率對材料的疲勞壽命產生了一定的影響,但是具體是如何影響的,后文將進一步分析。 

2.2 斷口形貌分析 

4為超聲疲勞試驗(a,b8.5×104周次和旋轉彎曲疲勞實驗(c,d5.1×104周次的試樣斷口形貌,兩種試樣的斷口裂紋源附近斷口都很平整,在裂紋源附近區域有很多短小不連續的河流狀花紋,這是典型的解理斷裂特征,因此兩種試樣的破壞方式都表現為脆性破壞。斷口相對較平整,說明裂紋在擴展時速度非???。 

5所示為超聲疲勞試驗(a,b2.03×105周次和旋轉彎曲疲勞實驗(c,d2.72×106周次的試樣斷口形貌圖,從圖5a)可以看出,超聲疲勞試樣斷口相對平整,對斷口上的裂紋擴展路徑上的部分區域放大,可以觀察到有許多斷斷續續的河流狀花紋,說明超聲疲勞試樣高周階段也是呈現解理斷裂,試樣的破壞方式表現為脆性破壞。 

對(c2.72×106周次的旋轉彎曲疲勞試樣斷口形貌進行觀察可以看到,在裂紋源附近區域,可以看到大量的韌窩,說明試樣破壞過程中發生了大量的塑性變形。對裂紋源擴展路徑上的區域放大后觀察到,裂紋擴展路徑上靠近表面的部分相對平整,說明裂紋擴展初期,試樣的破壞方式存在有解理破壞,但是隨著裂紋向內擴展,可以看到在擴展路徑上有很多的韌窩,這就說明裂紋在擴展過程開始向塑性破壞轉變,因此旋轉彎曲疲?謔匝?的破壞方式與超聲疲勞試樣在高周階段顯現出不同,試樣的破壞方式由脆性破壞向塑性破壞轉變。 

兩種超高周試樣的斷口形貌進行觀察,發現兩種試樣的斷口呈現的特征是有區別的。對于1.72×108周次超聲疲勞試樣,斷口上有大量的短小不連續的河流狀花樣,同時對裂紋源附近的區域放大可以看到,該區域斷口上出現有大量冰糖狀的晶粒,這是由于裂紋沿著晶界擴展造成的,所以會出現這樣的形貌,其破壞方式主要表現為解理破壞。   而對于1.96×108周次旋轉彎曲疲勞試樣來說,在裂紋源處有大量的韌窩出現,如圖(a)所示,說明在裂紋萌生擴展的過程中發生了大量的塑性變形,試樣是以塑性破壞主導的,這與超聲疲勞試驗的脆性破壞方式是有區別的。 

通過對以上不同加載頻率下的試樣斷口對比可以發現,在低周階段不同頻率下沒有明顯區別,都是以脆性破壞主導的破壞方式。 

在高周階段,兩者的斷口開始顯示出不同,超聲疲勞試樣的失效形式仍然是以脆性破?鬧韉跡?但是旋轉彎曲疲勞試驗的破壞形式則表現為開始以脆性破壞為主,進而轉變為塑性破壞為主,是一個由脆性破壞向塑性破壞轉變的過程。 

在超高周階段,兩種加載頻率下試樣的失效方式則有很大的區別,超聲疲勞試樣主要是解理斷裂,破壞方式表現為脆性破壞。而對于旋轉彎曲疲勞試樣,從大量韌窩就可以看出,整個破壞過程中是以塑性破壞主導的,試樣破壞過程中發生了大量的塑性變形,試樣失效形式表現為塑性破壞。 

因此,綜上所述,超聲疲勞試驗,試樣的破壞方式主要表現為脆性破壞,而旋轉彎曲疲勞試驗,試樣從高應力幅低壽命區域向低應力幅高壽命區域發展的過程中,破壞方式逐漸由脆性破壞向塑性破壞方式轉變。 

3 結論 

1、 在不同的加載頻率下,試樣在應力循環超過107周次仍然會發生斷裂。 

2、不同的加載頻率下試樣的疲勞壽命有所差別,從整體上看,在相同應力條件下,低頻疲勞試樣的壽命要高于高頻疲勞試樣壽命。 

3、超聲疲勞實驗試樣的破壞方式主要表現為脆性破壞;旋轉彎曲疲勞試驗,試樣從高應力幅低壽命區域向低應力幅高壽命區域發展的過程中,破壞方式逐漸由脆性破壞向塑性破壞方式轉變。 

參考文獻 

[1] Morrissey R J,Golden P J.Fatigue strength of a single crystal in the gigacycle regime [J].International Journal of Fatigue,2007,299):2079-2084. 

[2] Ritchie,Davidson, Boyce,et al.High-cycle fatigue of Ti?C6Al 4V[J].Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 1999,227):621-631. 

[3] 董鑫, 李培源, 王旭等.腐蝕對鈦合金超高周疲勞性能的影響[J].機械工程材料, 2014, 3811):76-79. 

[4] Bantounas I,Dye D,Lindley T C.The effect of grain orientation on fracture morphology during high-cycle fatigue of Ti?C6Al?C4V[J].Acta Materialia, 2009, 5712):3584-3595. 

[5] 李業欣,張銀東,張鑫佳.TC4鈦合金搖臂表面完整性研究[J].失效分析與預防, 2016, 111):47-50. 

[6] Zuo J H,Wang Z G,Han E H.Effect of microstructure on ultra-high cycle fatigue behavior of Ti-6Al-4V[J].Materials Science & Engineering A,2008,4731-2):147-152. 

[7] Furuya Y,Matsuoka S,Abe T,et al.Gigacycle fatigue properties for high-strength low-alloy steel at 100 Hz,600 Hz,and 20 kHz[J].scripta Materialia,2002,462):157-162. 

[8] K.J.Miller, A historical perspective of the important parameters of metal fatigue and problems for the next century, inX.R.Wu and Z.G.Wang editors), Proc. Fatigue99,Vol.1 EMAS Cradley Heath, U.K1999),pp.15-39. 

[9] Bathias.There is no infinite fatigue life in metallic materials [J].Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures,1999, 227):559-565. 

[10] Liaw P K,Wang H,Jiang L,et al.Thermographic detection of fatigue damage of pressure vessel steels at 1,000 Hz and 20 Hz[J]. scripta Materialia, 2000,424):389-395. 

[11] 何玉懷,郭偉彬, 蔚奪魁,等.加載頻率對直接時效GH4169高溫合金疲勞裂紋擴展性能的影響[J].失效分析與預防,2008,31):10-14. 

[12][7] 閆桂玲,王弘,高慶.超聲疲勞試驗方法及其應用[J].力學與實踐, 2004,266):25-29. 

[13] 薛紅前,楊斌堂,Bathias C..高頻載荷下高強度鋼的超高周疲勞及熱耗散研究[J].材料工程,2009,303):49-53. 

[14] Morrissey R J,Nicholas T. Fatigue strength of Ti?C6Al?C4V at very long lives[J].International Journal of Fatigue,2005,2710-12):1608-1612.

 

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