航空发动机典型材料超高周疲劳试验技术研究综述

航空发动机作为飞行器最关键、最核心的部位,长期服役于高温、高载等极端环境,疲劳失效是导致发动机结构破坏的主要原因之一。随着工业的发展,发动机材料的超高周疲劳问题日益凸显。本文总结了发动机典型材料超高周疲劳关注领域的研究现状,对当前超高周疲劳试验技术的应用情况进行了阐述,包括超高周轴向振动疲劳、弯曲振动疲劳、扭转振动疲劳、复合振动疲劳等试验加载技术以及温度控制技术、损伤监测技术,并对我国航空发动机典型材料超高周疲劳试验技术的发展做出展望。

腐蚀条件下高强钢超高周疲劳性能及损伤机理研究进展

在疲劳载荷作用下,材料发生裂纹萌生、扩展直至断裂的周次在107以上的过程被称为超高周疲劳。部分高强钢机械部件需在恶劣环境中服役,服役期间承受的疲劳载荷周次高达108~1011,高强钢在腐蚀环境中的超高周疲劳问题成为影响结构可靠性、安全性的关键问题,是航空航天、汽车、高铁等领域亟待解决的难点。得益于金属材料在传统疲劳问题上的总结积累与先进试验手段的助力,诸多学者开发出多种新的试验方法,有针对性地对高强钢在腐蚀条件下的超高周疲劳问题展开研究。目前,关于腐蚀条件下高强钢超高周疲劳性能退化规律及损伤机理、腐蚀条件下裂纹萌生竞争机制及裂纹初期扩展行为、氢对高强钢超高周疲劳性能及颗粒亮面形成机制的影响等核心问题的认识愈发清晰,逐渐从对试验现象的描述与归纳深入到对损伤机理的探索与推演,而且部分研究成果已经逐步在工程实践中得到应用。本文首先从S-N曲线等角度简述了高强钢无腐蚀条件下的超高周疲劳损伤特征;然后总结了典型腐蚀介质对高强钢超高周疲劳性能的影响,并指出氢脆断裂为高强钢在腐蚀环境中的断裂机理之一;随后详述了氢对高强钢超高周疲劳性能及颗粒亮面形成机制的影响研究进展;最后对几个关键问题进行了展望。

稀土对GCr15轴承钢超高周疲劳性能的影响

通过对添加稀土和不添加稀土两种GCr15轴承钢的超高周疲劳性能试验,分析裂纹断口形貌,讨论裂纹萌生和扩展机理,研究稀土对轴承钢超高周疲劳性能的影响机理。

GCr15轴承钢超高周疲劳性能与夹杂物相关性

真空冶炼与电渣重熔2种工艺制备的GCr15轴承钢的超高周疲劳测试结果表明,电渣重熔能更好地控制钢中夹杂尺寸及其分散性,因此具有较好的疲劳性能.实验与理论分析表明,对于一定强度的材料,疲劳萌生处的颗粒亮区(GBF)边界处的应力强度因子范围(ΔK_(GBF))为一恒定值,且随材料的屈服强度增加ΔK_(GBF)逐渐减小。

氢对高强弹簧钢50CrV4超高周疲劳性能的影响

制备了3种不同氢含量的高强弹簧钢50CrV4样品(淬火、回火样品,0.6×10^(-6);真空退火样品,0.2×10^(-6);高温高压热充氢样品,2.5×10^(-6)).SEM观察表明,疲劳断口内部起裂源为小夹杂团簇;疲劳强度测试表明,随氢含量(c)的增加,疲劳强度基本上按σ_0-αexp(c)规律降低,Basquin方程中的Basquin指数随氢含量的增加有明显变化.

晶粒尺寸对42CrMoVNb钢超高周疲劳性能的影响

研究了不同热处理制度下得到的3种具有不同晶粒尺寸的42CrMoVNb高强度钢的超高周疲劳性能.结果表明,超高周疲劳强度和疲劳强度比并不随晶粒尺寸的减小而单调提高,中等晶粒尺寸的试样具有最高的疲劳强度和疲劳强度比.SEM断口观察表明,绝大部分试样的疲劳裂纹起源于夹杂物.随着疲劳断口裂纹源夹杂物处应力强度因子幅△K_(inc)的减小,疲劳寿命N_f增加;而在夹杂物周围的粗糙粒状区域(GBF)的应力强度因子幅△K_(GBF)并不随N_f变化而变化,基本为一常数,且粗晶粒试样的△K_(GBF)高于细晶粒试样.这表明,细化晶粒对高强度钢的超高周疲劳性能有着复杂的影响,存在一个合理的细化晶粒范围.

合金材料超高周疲劳行为的基本特征和影响因素

合金材料在超高周疲劳下具有与低周和高周疲劳不同的裂纹萌生和扩展行为以及不同的S-N曲线特征.材料的强度、循环加载的频率、所处的环境等都显著影响超高周疲劳的特性.本文综述了合金材料超高周疲劳行为的基本特征和影响因素的研究进展.

金属材料超高周疲劳研究进展

随着机械装备很多关键零部件设计寿命的提高,超高周疲劳研究已经成为工程材料研究领域一个新的热点问题,近几十年来在世界各地得到广泛开展。文中综述国内外金属材料超高周疲劳研究取得的成果,特别是近十年来在金属材料超高周疲劳试验方法、疲劳行为特征、机理和寿命预测等方面的进展,重点讨论超高周疲劳裂纹萌生和扩展的研究中得到的试验结果和形成的理论模型。指出超高周疲劳研究现有理论和计算模型存在的不足,并提出几个值得进一步研究的问题和有价值的研究方法。

中碳高强度弹簧钢NHS1超高周疲劳破坏行为

测试了中碳高强度弹簧钢NHS1的超高周(10~9 cyc)疲劳破坏行为,并利用FESEM对疲劳断口进行了观察.NHS1钢的S-N曲线呈台阶型,在10~9 cyc内疲劳极限消失.疲劳断口分析表明,在高应力幅区,实验钢的疲劳破坏主要起源于基体表面;而在低应力幅长寿命区,疲劳破坏主要起裂于试样内部的夹杂物,形成"鱼眼"型断裂.在夹杂物周围存在一个粗糙的粒状亮区(GBF).GBF区边界的应力场强度因子为3.6 MPa.m^(1/2),与疲劳寿命无关,该值与疲劳裂纹扩展的门槛值相等;"鱼眼"边界的应力场强度因子同样与疲劳寿命无关,约为10.6 MPa.m^(1/2).

挤压态镁合金ZK60的超高周疲劳行为

利用超声疲劳实验研究了挤压态镁合金ZK60的超高周疲劳行为．结果表明，合金的疲劳S—N曲线在5×10^6-10^8cyc范围内存在一平台，而在10^8-10^9cyc范围内，疲劳强度逐渐降低，对应于10^9cyc的疲劳强度为（90±5）MPa．SEM断口观察表明，在5×10^6-10^8cyc范围内，疲劳裂纹基本上萌生于试样表面或亚表面，而在10^8-10^9cyc范围内，疲劳裂纹主要萌生于试样内部的非金属夹杂物．通过测定疲劳源区的尺寸，估算的合金疲劳强度与实验结果基本一致．疲劳源的形成是由微裂纹在多个夹杂物处起裂和合并所引起的．因此，合金的疲劳强度不是由最大夹杂物尺寸决定，而是取决于由多个夹杂物组成的“缺陷区”尺寸．通过测定多个部位的“缺陷区”尺寸，可以有效的估算合金的疲劳强度．

合金材料超高周疲劳的机理与模型综述

在循环载荷作用下,合金材料发生裂纹萌生、扩展直至断裂的周次在10~7以上的过程被称为超高周疲劳(very-high-cycle fatigue,VHCF).本综述将从30年前超高周疲劳的研究起源讲起,直到近年的最新进展.引言之后的内容包括:超高周疲劳研究的起源,超高周疲劳的主要特征,超高周疲劳裂纹萌生特征区和特征参量,裂纹萌生特征区的形成机理与模型,超高周疲劳性能预测模型.在叙述中,试图回答下列问题:什么是超高周疲劳?为什么要研究超高周疲劳?超高周疲劳的关键科学问题是什么?超高周疲劳的S-N曲线趋势为什么发生变化?超高周疲劳裂纹为什么萌生于材料(试样)内部?裂纹内部萌生的过程和机理是什么?上述问题有的可以给出明确的回答,有的则是现阶段的最新结果,并有待于对问题的继续探索.

超高周疲劳研究现状及展望

超高周疲劳是指疲劳周次达到 10 8及其以上时材料的疲劳行为。与一般认识的疲劳行为不同之处是 ,超高周疲劳发生在传统疲劳极限以下 ,因此研究超高周疲劳行为有助于进一步理解疲劳的本质和疲劳机理。文中综述近几年超高周疲劳研究的进展 ,包括超高周疲劳的典型特征 ,如S—N曲线的特点、断口特征、断面上的鱼眼形貌以及裂纹的起源与扩展特征等 ;分析疲劳机理和相关的模型以及简要探讨影响超高周疲劳的一些因素 ,如加载频率、加载方式、氢的作用等。

腐蚀对TC17钛合金超高周疲劳性能的影响

针对航空发动机在腐蚀环境下存在的超高周疲劳问题,先对TC17钛合金进行加速腐蚀处理,然后应用超声疲劳试验系统在室温下研究了腐蚀对TC17钛合金超高周疲劳性能的影响,最后观察了疲劳断口形貌。结果表明:在疲劳循环大于107周次时,腐蚀与未腐蚀的试样都会发生疲劳断裂,并不存在明显的疲劳极限;腐蚀后钛合金的疲劳强度略有降低,且随着载荷循环周次的增加,其S-N曲线更接近未腐蚀钛合金的;腐蚀后钛合金的疲劳源位于表面,氧化膜破坏导致的点蚀是疲劳裂纹于表面萌生的主要原因。

Ti-6Al-4V合金的超高周疲劳行为

采用超声疲劳实验分别确定了双态和网篮两种组织的Ti-6Al-4V合金的疲劳寿命（S-N）曲线．并用SEM观察疲劳断口．结果表明,两种组织合金的S-N曲线均保持下降趋势,在10^5-10^9 cyc间不出现水平段,不存在传统意义的疲劳极限,断口形貌分析表明,随着应力幅的降低,二者的裂纹萌生位置都发生了由试样表面到内部的转变．与加载频率为25Hz时的疲劳实验结果进行比较后发现,超声疲劳加载条件下,疲劳强度提高,疲劳寿命延长,且频率对网篮组织合金疲劳性能的影响大于对双态组织的影响．

汽车用高强度弹簧钢54SiCrV6和54SiCr6的超高周疲劳行为

研究了54SiCrV6和54SiCr6两种洁净高强弹簧钢的超高周疲劳行为,并利用FESEM和EPMA对疲劳断口进行了观察．实验结果表明,在高应力幅区,两种弹簧钢的疲劳破坏均起源于表面基体;而在低应力幅长寿命区,疲劳开裂均发生在试样内部． 54SiCrV6钢的S-N曲线为典型的台阶式曲线,在109循环周次内,其疲劳极限消失;而54SiCr6钢存在疲劳极限．疲劳断口分析表明, 54SiCrV6钢内部破坏是由钢中小夹杂物聚集引起的,而在54SiCr6钢中则起源于碳化物的偏聚．临界夹杂物尺寸的估算表明,当高强弹簧钢中的夹杂物尺寸大于临界夹杂物尺寸时,其疲劳极限消失．

60Si2CrVA高强度弹簧钢的超高周疲劳破坏行为

进行超声波疲劳和疲劳裂纹扩展速率实验,研究了3种60Si2CrVA弹簧钢的超高周疲劳破坏行为.结果表明,60Si2CrVA弹簧钢的超高周疲劳性能主要与其中夹杂物的尺寸有关,即随着夹杂物尺寸的减小,钢的疲劳寿命和疲劳强度均逐渐提高.对于内部夹杂物引起的疲劳破坏,在低应力幅、高循环周次(约大于10~6 cyc)条件下,在夹杂物周围的鱼眼处往往存在粗糙的粒状区域(GBF).对于A-60钢,随着疲劳源夹杂物处应力场强度因子幅的减小,疲劳寿命增加;而GBF处的应力场强度因子幅并不随疲劳寿命变化而变化,基本为一常数(平均值为4.6 MPa·m^(1/2)),与疲劳裂纹扩展门槛值(4.3 MPa·m^(1/2))接近.

高压气相热充氢对SUJ2轴承钢超高周疲劳行为的影响

研究了JIS-SUJ2轴承钢的超高周疲劳行为及高压气相热充氢对疲劳性能的影响。结果表明,高压气相热充氢后疲劳性能明显降低,裂纹源周围"GBF"区的颗粒状特征变浅甚至消失。断口上裂纹源处缺陷尺寸及分布对疲劳寿命没有影响,疲劳寿命随着"GBF"与夹杂物尺寸比的增加而增加。充氢前后裂纹源边缘的应力强度因子范围均近似正比于裂纹尺寸的1/3次方,"GBF"裂纹扩展的门槛值正比于"GBF"尺寸的1/6次方。高压气相热充氢明显提高了氢致附加应力强度因子,估算的"GBF"裂纹尺寸的极限值与实验值能够较好地吻合。

Q235B焊接接头超高周疲劳性能

用超声疲劳试验装置对Q235B母材及焊接接头试件进行超声疲劳试验,研究其在超高周疲劳寿命区间的疲劳性能.加载频率为20 kHz,应力比R=-1.采用国际焊接学会制定的统计方法处理试验数据.试验结果表明,在107～109循环周次内,Q235B母材和焊接接头仍然发生断裂,其S-N曲线都是连续下降的;传统疲劳概念上的疲劳极限并不存在.研究结果表明,使用5×106循环周次下的疲劳数据去设计超高周疲劳寿命的焊接结构是很危险的.

缺口应力集中对5083-H111铝合金超高周疲劳性能的影响

为正确评价超高周范围内带缺口的5083-H111铝合金疲劳强度的降低程度和疲劳强度对缺口的敏感程度，用20kHz的超声疲劳实验技术分别对漏斗形光滑试件、缺口（2种）试件进行了1065-10^10周次的对称拉压超声疲劳实验，并用扫描电镜分析了疲劳断口形貌．结果表明：在10^10周次内，光滑和缺口试件疲劳曲线分别表现出极限平台型和连续下降型特征，缺口显著降低了5083-H111铝合金的疲劳性能；绝大部分试件疲劳裂纹萌生于表面，断口上没有观察到“鱼眼”形貌特征．理论应力集中系数为1．94的试件疲劳弧线成凹形，理论应力集中系数为2．90的试件裂纹源分布在断口四周；不同的疲劳裂纹萌生机制使得缺口应力集中对疲劳性能的影响规律不同，对于只有一种表面裂纹萌生机制的5083-H111铝合金，超高周范围内疲劳缺口系数和疲劳缺口敏感系数均随着疲劳寿命的增加而增加．

25Cr2Ni2MoV钢焊接接头的超高周疲劳特性

对25Cr2Ni2MoV钢焊接接头开展常温拉压条件下的超高周疲劳试验,并对失效试样进行断口分析,研究焊接接头的疲劳失效机理。结果表明,疲劳寿命曲线呈现阶梯状:在高应力短寿命区,疲劳断裂发生在试样母材区较多,多为表面或次表面夹杂物裂纹萌生;在低应力长寿命区,疲劳断裂发生在试样焊缝区较多,多为内部气孔裂纹萌生。断口分析发现:缺陷(裂纹源)尺寸较小或者越靠近试样内部,疲劳寿命越长,且较小缺陷同内部较大缺陷具有相似的裂纹萌生潜力。通过有限元模拟疲劳试样内部微缺陷处的应力分布得出,焊缝区气孔和夹杂物周围的应力集中程度大于母材区夹杂物。结合断口分析发现,母材区弥散分布的粒状颗粒夹杂物数量较多,并且聚集起来会形成更大的缺陷,相比焊缝区夹杂物更容易萌生疲劳裂纹。