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TC4钛合金及其喷丸处理后的微动损伤特性

陈明  
【摘要】:随着钛合金在航空结构中的应用不断扩大,微动损伤问题变得日益严重,已成为其应用的主要障碍之一。为了探索TC4钛合金及其喷丸处理后的微动磨损、微动疲劳特性,本文主要研究了以下四个方面的内容:(1)TC4钛合金的微动磨损特性研究;(2)喷丸处理对TC4钛合金微动磨损特性影响;(3)TC4钛合金微动疲劳特性研究;(4)喷丸处理对TC4钛合金微动疲劳特性影响。研究结果表明: 在恒定法向载荷下,当位移幅值从20μm增加到150μm时,原始状态及喷丸处理后的TC4钛合金的微动滑移状态分别为部分滑移、混合滑移、完全滑移。部分滑移时,仅在磨痕边缘处有轻微的微动损伤;混合滑移时,由于接触面上的接触压力分布不均匀,磨痕中央为粘着磨损,磨痕边缘处于完全滑移,因此磨痕边缘的磨损要大于接触面其他位置;完全滑移时,TC4钛合金磨损严重,由于粘着磨损及磨屑的调节作用,摩擦系数波动较大。 TC4钛合金的微动磨损是典型的复合磨损,表面脱层磨损、氧化磨损、磨粒磨损、粘着磨损均存在,在不同的微动磨损阶段,不同的机制占据主导作用。微动初期的粘着磨损及塑性变形明显;随着循环次数的增加,微动磨损的主要形式为剥层磨损,磨屑产生、发生氧化并堆积在磨痕表面,使得摩擦副金属不能直接接触,阻碍了粘着磨损,磨损形式转变为磨粒磨损及氧化磨损。 随着循环次数、法向载荷及位移幅值的增加,TC4钛合金的微动磨损体积增大;但微动磨损体积随着频率增加而降低。喷丸处理对TC4钛合金在不同条件下的摩擦系数影响不大,但由于喷丸处理使得材料表面粗糙度增加,喷丸处理后试样的摩擦系数略微增大,且由于喷丸处理引起材料表面脆性增大,使得喷丸处理后的微动磨损体积略微大于原始状态试样。 微动磨损的存在极大的降低了TC4钛合金的微动疲劳寿命。喷丸处理使得材料表层产生了残余压应力层,显著提高了TC4钛合金的常规疲劳寿命及微动疲劳寿命。 TC4钛合金的微动疲劳断口分为裂纹源、疲劳扩展区、瞬断区。其中裂纹源是微动磨损形成的磨痕位置,磨痕位置处的应力梯度及磨痕导致的应力集中促进了该区域的裂纹萌生。裂纹萌生后,疲劳源处的断面在疲劳载荷下发生磨损,导致该处有明显的磨痕和磨屑。疲劳扩展区的疲劳条带及二次裂纹较为明显。疲劳扩展区和瞬断区的交界十分清晰。瞬断区的主要形貌为韧窝断裂,部分工艺参数下瞬断区还呈现准解理断裂特征。


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