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夹杂物对粉末冶金涡轮盘应力强度因子及裂纹扩展寿命的影响研究

赵勇铭  
【摘要】: 当前世界上大多数先进航空发动机均采用了粉末冶金涡轮盘,我国目前正在积极开展粉末冶金涡轮盘的工程应用研究,其低周疲劳寿命预测成了亟待解决的关键问题,夹杂物是引起其低周疲劳失效的主要原因,因此开展夹杂物对粉末冶金涡轮盘应力强度因子及裂纹萌生与扩展的影响具有重要意义。 本文用有限元法研究了夹杂对粉末高温合金裂纹应力强度因子及裂纹扩展寿命的影响,结果表明,夹杂对裂纹应力强度因子影响范围在裂纹为夹杂半径的3倍,超出这个范围后影响就很小。对于软夹杂,当裂纹半径接近夹杂半径时,含夹杂时的应力强度因子比没有夹杂时要小,而当裂纹半径进一步增大时,有无夹杂时应力强度因子大小关系是不确定的,但随着裂纹半径的不断增大,二者不断接近。对于刚性夹杂,其影响趋势与软夹杂相反。在计算裂纹扩展寿命时,将软夹杂看作初始裂纹,不考虑夹杂的影响,可以得到偏于安全的结果,而对于刚性夹杂,则得到偏于危险的结果。在FGH95粉末高温合金中因此不考虑夹杂的影响,可以得到保守的裂纹扩展寿命计算结果。 进行了含夹杂粉末冶金涡轮盘裂纹扩展控制参量和裂纹扩展寿命计算。研究表明,采用子模型法求裂纹扩展寿命研究时,用裂纹面原有位置处的中值应力作为远场应力,可以得到偏安全的计算结果。对某发动机涡轮盘而言,中心孔边存在夹杂时,裂纹扩展寿命最短。某粉末冶金涡轮盘榫槽处进入了塑性,尽管存在体力,但计算结果显示体力对J积分影响并不显著。 计算了圆形试棒中任意位置存在圆形裂纹时的应力强度因子,编写了计算程序,可对任意位置处初始裂纹的扩展寿命进行计算。计算了圆形试棒亚表面裂纹扩展到表面的过程和亚表面夹杂的裂纹扩展寿命。为深入研究含夹杂粉末冶金涡轮盘裂纹萌生寿命打下必要的基础。


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