鈦合金螺栓連接件疲勞與微動(dòng)疲勞行為的研究.pdf

1、鈦合金因其具備高的比強(qiáng)度、優(yōu)異的耐腐蝕性能、較好的高溫強(qiáng)度等特點(diǎn)，在航空工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。鈦合金緊固件連接件是現(xiàn)代先進(jìn)飛機(jī)上的典型結(jié)構(gòu)，其失效破壞包括緊固件自身的疲勞、連接板材緊固孔處的疲勞等。但對(duì)于螺栓孔與鈦合金緊固件連接接觸面上微動(dòng)作用引發(fā)的疲勞失效的研究報(bào)道較少，其有效控制技術(shù)途徑的研究也不多見。而對(duì)這些問題的深入研究無疑對(duì)于確保飛機(jī)結(jié)構(gòu)的安全使用十分重要。本文針對(duì)上述背景，探討了鈦合金螺栓及其連接高強(qiáng)度鋼30CrMnSiA和

2、鋁合金LY12板件的疲勞損傷行為，及鈦合金螺栓進(jìn)行普通陽極氧化的影響作用；研究了TC16鈦合金螺栓的常規(guī)疲勞和微動(dòng)疲勞行為；研究了帶孔30CrMnSiA鋼板件以及帶孔LY12鋁合金板件的疲勞行為；探討了蘭色陽極氧化、脈沖陽極氧化和微弧等離子陽極氧化、噴丸強(qiáng)化(SP)及其復(fù)合處理對(duì)鈦合金微動(dòng)疲勞行為的影響；深入分析了鈦合金及其連接結(jié)構(gòu)的常規(guī)疲勞、微動(dòng)疲勞失效機(jī)理，及表面處理的作用機(jī)制。確定出了以脈沖陽極化膜層與SP聯(lián)合處理以期改進(jìn)鈦合金F

3、F抗力的可能性途徑。得出以下主要研究結(jié)論： (1)TC16鈦合金緊固件連接30CrMnSiA高強(qiáng)度鋼板件結(jié)構(gòu)在外加拉-拉疲勞載荷下，30CrMnSiA鋼板孔由于微動(dòng)疲勞作用而發(fā)生斷裂，在本文試驗(yàn)條件下，其壽命較帶自由孔的30CrMnSiA鋼板件常規(guī)疲勞壽命下降約60﹪。脫層和磨粒磨損是板孔微動(dòng)疲勞的主要損傷形式。 (2)TC16鈦合金緊固件連接30CrMnSiA高強(qiáng)度鋼板結(jié)構(gòu)在拉-拉疲勞載荷下，鈦合金螺栓由于彎曲疲勞

4、作用會(huì)發(fā)生疲勞斷裂，在本文試驗(yàn)條件下，由于微動(dòng)區(qū)處于壓應(yīng)力或低水平張應(yīng)力狀態(tài)，因而未發(fā)生微動(dòng)疲勞破壞。 (3)TC16鈦合金緊固件連接LY12鋁合金板件結(jié)構(gòu)在外加拉-拉疲勞載荷下，LY12鋁合金板孔由于微動(dòng)疲勞作用而發(fā)生斷裂，在本文試驗(yàn)條件下，其壽命較帶自由孔的板件常規(guī)疲勞壽命下降約61﹪。脫層和磨粒磨損是板孔微動(dòng)疲勞的主要損傷形式。 (4)鈦合金螺栓表面進(jìn)行普通蘭色或脈沖陽極氧化處理，有利于改善30CrMnSiA高

5、強(qiáng)度鋼連接板和LY12鋁合金連接板的微動(dòng)疲勞性能；然而，由于陽極氧化處理造成鈦合金表面韌性降低，其常規(guī)彎曲疲勞性能明顯下降。 (5)噴丸強(qiáng)化使Ti811鈦合金的微動(dòng)疲勞抗力顯著提高，此歸于噴丸引入的表面殘余壓應(yīng)力對(duì)裂紋早期擴(kuò)展的有效控制。 (6)蘭色陽極氧化處理和脈沖陽極氧化處理對(duì)TC16鈦合金的微動(dòng)疲勞抗力影響不顯著，蘭色陽極化處理使Ti811合金的微動(dòng)疲勞抗力有所降低。5μm厚的脈沖陽極氧化處理層使Ti811合金

6、的FF抗力稍有降低，而10μm厚的脈沖陽極氧化處理層則使其微動(dòng)疲勞抗力稍有增大。微弧陽極氧化處理能夠較明顯地提高Ti811合金的微動(dòng)疲勞抗力。 (7)噴丸強(qiáng)化與脈沖陽極氧化處理使Ti811合金的微動(dòng)疲勞抗力顯著提高，其效果優(yōu)于噴丸強(qiáng)化單獨(dú)作用。 (8)噴丸形變強(qiáng)化在30CrMnSiA高強(qiáng)度鋼和LY12鋁合金板孔周圍形成殘余壓應(yīng)力，有效地提高這兩類金屬材料螺栓連接孔結(jié)構(gòu)的微動(dòng)疲勞抗力，在本文研究條件下，LY12鋁合金板