超聲振動(dòng)載荷下材料的超高周疲勞性能研究.pdf

1、應(yīng)用超聲疲勞試驗(yàn)技術(shù)研究高速運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)件材料107周次以上的超高周疲勞行為是近年來(lái)疲勞研究的一個(gè)新課題。本文針對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)部件材料球墨鑄鐵GS51、D38MSV5S合金結(jié)構(gòu)鋼、鑄鋁2-AS5U3G-Y35以及新一代高溫材料TiAl基合金所面臨的高頻、低幅超高周疲勞問(wèn)題，開(kāi)展了試驗(yàn)研究。著重從試驗(yàn)設(shè)計(jì)、疲勞機(jī)理分析上進(jìn)行了深入的探討，目的在于探索材料的超高周疲勞行為，揭示其超高周疲勞損傷機(jī)理。 在扭轉(zhuǎn)、彎曲疲勞振動(dòng)理論分析的基礎(chǔ)上，

2、設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了扭轉(zhuǎn)超聲疲勞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及三點(diǎn)彎曲超聲疲勞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。并首次將其應(yīng)用于材料的超高周疲勞性能的試驗(yàn)研究。此外，針對(duì)現(xiàn)有超聲疲勞試樣在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，提出并分析了超聲疲勞試樣幾何形狀優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法。 為了考察試驗(yàn)頻率、應(yīng)力比對(duì)材料疲勞行為的影響以及材料的超高周疲勞行為，試驗(yàn)研究了球墨鑄鐵GS51、D38MSV5S鋼以及鑄鋁2-AS5U3G-Y35的超聲疲勞和常規(guī)疲勞行為，試驗(yàn)分別在應(yīng)力比R=0.1和R=-1的條件下進(jìn)

3、行。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在不同應(yīng)力比條件下，所有試驗(yàn)材料沒(méi)有呈現(xiàn)明顯的頻率效應(yīng)。疲勞循環(huán)數(shù)大于107周時(shí)，各種材料的試樣都會(huì)發(fā)生疲勞破壞，不存在疲勞極限。低周疲勞(＜106周)循環(huán)條件下，疲勞裂紋萌生于試樣表面。高周循環(huán)條件下，對(duì)于D38MSV5S鋼及鑄鋁2-AS5U3G-Y35，疲勞裂紋常萌生于試樣內(nèi)部或次表層，然而，對(duì)于球墨鑄鐵GS51，試樣表面球墨及內(nèi)部縮孔等缺陷都會(huì)引起試樣發(fā)生超高周疲勞破壞。應(yīng)力比影響合金的超高周疲勞行為，應(yīng)力幅對(duì)D38

4、MSV5S鋼的疲勞性能影響較明顯。 D38MSV5S鋼以及鑄鋁2-AS5U3G-Y35的超聲扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)結(jié)果顯示，S-N曲線呈現(xiàn)連續(xù)下降的趨勢(shì)，疲勞循環(huán)數(shù)大于109周時(shí)，仍有試樣發(fā)生疲勞破壞，不存在疲勞極限。疲勞裂紋總是從承受最大應(yīng)力的試樣表面萌生。 應(yīng)用三點(diǎn)彎曲超聲疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，分別在應(yīng)力比R=0.1，R=0.5R=0.7及條件下，進(jìn)行TiAl基合金三點(diǎn)彎曲超聲疲勞試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)： (1)應(yīng)力比R=0.7時(shí)，在

5、疲勞循環(huán)數(shù)大于107周時(shí)，S-N曲線呈現(xiàn)水平，而當(dāng)R=0.1及R=0.5時(shí)，S-N曲線在105-1010周之間連續(xù)下降，不存在疲勞極限。應(yīng)力比影響TiAl基合金的超高周疲勞行為。 (2)TiAl基合金的疲勞壽命主要由疲勞裂紋萌生階段決定，疲勞源主要發(fā)生在承受最大應(yīng)力的試樣表面，在超高周循環(huán)下，疲勞裂紋也會(huì)從試樣次表面下的疏松、層片域團(tuán)界面的γ晶粒處萌生。疲勞裂紋以穿晶斷裂方式擴(kuò)展，長(zhǎng)壽命疲勞試樣的斷口，呈現(xiàn)較多的二次裂紋和片狀解

6、理特征，說(shuō)明在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，斷口周圍仍然持續(xù)發(fā)生著二次的形變和開(kāi)裂過(guò)程。應(yīng)力比、應(yīng)力幅影響裂紋的擴(kuò)展方式，當(dāng)應(yīng)力比R=0.7時(shí)，穿層斷裂為主要的裂紋擴(kuò)展方式，應(yīng)力比R=0.1及R=0.5，出現(xiàn)了更多的沿層裂紋擴(kuò)展。 應(yīng)用高精度紅外線熱像儀測(cè)量了材料在超聲疲勞過(guò)程中溫度的變化。分析了超聲疲勞試驗(yàn)過(guò)程中材料的能耗過(guò)程，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了能量耗散方程，并推導(dǎo)出影響超聲疲勞試樣溫度升高的因素。結(jié)果表明，試樣幾何尺寸是影響其溫度升高的一