超聲振動載荷下材料的超高周疲勞性能研究.pdf

1、應用超聲疲勞試驗技術研究高速運轉(zhuǎn)結(jié)構件材料107周次以上的超高周疲勞行為是近年來疲勞研究的一個新課題。本文針對汽車發(fā)動機部件材料球墨鑄鐵GS51、D38MSV5S合金結(jié)構鋼、鑄鋁2-AS5U3G-Y35以及新一代高溫材料TiAl基合金所面臨的高頻、低幅超高周疲勞問題，開展了試驗研究。著重從試驗設計、疲勞機理分析上進行了深入的探討，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理。 在扭轉(zhuǎn)、彎曲疲勞振動理論分析的基礎上，

2、設計并開發(fā)了扭轉(zhuǎn)超聲疲勞實驗系統(tǒng)及三點彎曲超聲疲勞實驗系統(tǒng)。并首次將其應用于材料的超高周疲勞性能的試驗研究。此外，針對現(xiàn)有超聲疲勞試樣在疲勞試驗過程中出現(xiàn)的問題，提出并分析了超聲疲勞試樣幾何形狀優(yōu)化的設計方法。 為了考察試驗頻率、應力比對材料疲勞行為的影響以及材料的超高周疲勞行為，試驗研究了球墨鑄鐵GS51、D38MSV5S鋼以及鑄鋁2-AS5U3G-Y35的超聲疲勞和常規(guī)疲勞行為，試驗分別在應力比R=0.1和R=-1的條件下進

3、行。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在不同應力比條件下，所有試驗材料沒有呈現(xiàn)明顯的頻率效應。疲勞循環(huán)數(shù)大于107周時，各種材料的試樣都會發(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，對于球墨鑄鐵GS51，試樣表面球墨及內(nèi)部縮孔等缺陷都會引起試樣發(fā)生超高周疲勞破壞。應力比影響合金的超高周疲勞行為，應力幅對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)疲勞試驗結(jié)果顯示，S-N曲線呈現(xiàn)連續(xù)下降的趨勢，疲勞循環(huán)數(shù)大于109周時，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力的試樣表面萌生。 應用三點彎曲超聲疲勞試驗系統(tǒng)，分別在應力比R=0.1，R=0.5R=0.7及條件下，進行TiAl基合金三點彎曲超聲疲勞試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)： (1)應力比R=0.7時，在

5、疲勞循環(huán)數(shù)大于107周時，S-N曲線呈現(xiàn)水平，而當R=0.1及R=0.5時，S-N曲線在105-1010周之間連續(xù)下降，不存在疲勞極限。應力比影響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)生在承受最大應力的試樣表面，在超高周循環(huán)下，疲勞裂紋也會從試樣次表面下的疏松、層片域團界面的γ晶粒處萌生。疲勞裂紋以穿晶斷裂方式擴展，長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，說明在裂紋擴展過程中，斷口周圍仍然持續(xù)發(fā)生著二次的形變和開裂過程。應力比、應力幅影響裂紋的擴展方式，當應力比R=0.7時，穿層斷裂為主要的裂紋擴展方式，應力比R=0.1及R=0.5，出現(xiàn)了更多的沿層裂紋擴展。 應用高精度紅外線熱像儀測量了材料在超聲疲勞過程中溫度的變化。分析了超聲疲勞試驗過程中材料的能耗過程，在此基礎上，構建了能量耗散方程，并推導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