鈦合金焊接結(jié)構(gòu)疲勞短裂紋行為研究.pdf

1、鈦合金具有比強度高、耐蝕性等優(yōu)異性能，已成為航空、宇航工業(yè)中廣泛應(yīng)用的重要結(jié)構(gòu)材料。我國鈦合金的自行研制是從20世紀60年代才剛剛開始的，在鈦合金工程應(yīng)用上，我國存在較大差距。除制造工藝的制約外，在鈦合金損傷行為、失效機理及性能評價與表征研究方面的差距更是顯而易見的。疲勞斷裂是航空鈦合金及其焊接結(jié)構(gòu)尤其是發(fā)動機轉(zhuǎn)動部件最主要的失效模式。研究表明，在材料疲勞損傷過程中，短裂紋行為研究占有重要的地位。但由于短裂紋問題的復雜性，到目前為止許多

2、問題仍沒有得到很好的解決，尤其是短裂紋群體間的相互作用規(guī)律是短裂紋研究所要解決的關(guān)鍵問題，也是疲勞界比較關(guān)注的重要課題。 本文采用試驗觀測與計算機仿真相結(jié)合的方法，對鈦合金焊接接頭的組織與性能及其光滑焊縫表面疲勞短裂紋演化行為的一些典型特征進行了系統(tǒng)研究。首先，測試了焊接接頭的顯微硬度分布規(guī)律、光滑焊接試件的拉伸性能，獲得了焊接接頭的靜態(tài)力學性能數(shù)據(jù)，為進一步的疲勞試驗提供了加載依據(jù)。進行了焊接接頭金相組織分析，了解了焊接接頭不

3、同區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)特征，并詳細討論了微觀結(jié)構(gòu)對短裂紋行為的影響。同時，比較了焊接接頭與母材疲勞性能的差異，進行了焊縫與母材等截面試件及缺口試件兩組疲勞壽命對比試驗，確定了焊接接頭的疲勞最薄弱區(qū)。結(jié)果表明：焊接接頭的焊縫區(qū)晶粒比較粗大，晶內(nèi)為片層組織結(jié)構(gòu)，靜強度較高，塑性較差，是焊接接頭疲勞性能的最薄弱區(qū)。相反，熱影響區(qū)部位微觀組織比較細密，塑性較好，靜強度值與母材相當，并且具有較好的疲勞性能。 其次，采用復型技術(shù)對光滑焊縫表面疲勞

4、短裂紋演化行為進行了試驗觀測與分析，獲得了不同應(yīng)力水平下鈦合金光滑焊縫表面疲勞短裂紋的主要演化特征及損傷機理。短裂紋的群體行為決定著材料的疲勞損傷過程，在短裂紋演化過程中，裂紋的擴展和相互作用現(xiàn)象共存。在壽命前期和中期以裂紋萌生為主要損傷形式，同時伴隨裂紋的擴展長大；壽命后期裂紋相互之間的合并，成為裂紋長大的主要因素，表現(xiàn)出較強的裂紋干涉行為。受微觀結(jié)構(gòu)的影響，短裂紋擴展裂紋路徑曲折，具有分形特征。 在以上工作的基礎(chǔ)上，考慮到短

5、裂紋擴展在時間和空間上的隨機性，用MonteCarlo方法建立了一個綜合短裂紋擴展、合并、干涉行為的物理仿真模型，并以可視化的形式再現(xiàn)了疲勞短裂紋的群體演化過程。建模時將材料的微觀結(jié)構(gòu)等各種特性的影響，引入到仿真模型中，反映了短裂紋與材料微觀結(jié)構(gòu)以及短裂紋之間的相互作用。不同于傳統(tǒng)模型中用圓或矩形對于應(yīng)力松弛區(qū)域的幾何簡化描述，從裂紋擴展的能量角度對模型進行修正，將應(yīng)力松弛區(qū)域模糊化來描述短裂紋的干涉行為，從裂紋擴展機理方面完善了原有模