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超声振动载荷下材料的超高周疲劳性能研究

薛红前  
【摘要】:应用超声疲劳试验技术研究高速运转结构件材料10~7周次以上的超高周疲劳行为是近年来疲劳研究的一个新课题。本文针对汽车发动机部件材料球墨铸铁GS51、D38MSV5S合金结构钢、铸铝2-AS5U3G-Y35以及新一代高温材料TiAl基合金所面临的高频、低幅超高周疲劳问题,开展了试验研究。着重从试验设计、疲劳机理分析上进行了深入的探讨,目的在于探索材料的超高周疲劳行为,揭示其超高周疲劳损伤机理。 在扭转、弯曲疲劳振动理论分析的基础上,设计并开发了扭转超声疲劳实验系统及三点弯曲超声疲劳实验系统。并首次将其应用于材料的超高周疲劳性能的试验研究。此外,针对现有超声疲劳试样在疲劳试验过程中出现的问题,提出并分析了超声疲劳试样几何形状优化的设计方法。 为了考察试验频率、应力比对材料疲劳行为的影响以及材料的超高周疲劳行为,试验研究了球墨铸铁GS51、D38MSV5S钢以及铸铝2-AS5U3G-Y35的超声疲劳和常规疲劳行为,试验分别在应力比R=0.1和R=-1的条件下进行。结果发现:在不同应力比条件下,所有试验材料没有呈现明显的频率效应。疲劳循环数大于10~7周时,各种材料的试样都会发生疲劳破坏,不存在疲劳极限。低周疲劳(<10~6周)循环条件下,疲劳裂纹萌生于试样表面。高周循环条件下,对于D38MSV5S钢及铸铝2-AS5U3G-Y35,疲劳裂纹常萌生于试样内部或次表层,然而,对于球墨铸铁GS51,试样表面球墨及内部缩孔等缺陷都会引起试样发生超高周疲劳破坏。应力比影响合金的超高周疲劳行为,应力幅对D38MSV5S钢的疲劳性能影响较明显。 D38MSV5S钢以及铸铝2-AS5U3G-Y35的超声扭转疲劳试验结果显示,S-N曲线呈现连续下降的趋势,疲劳循环数大于10~9周时,仍有试样发生疲劳破坏,不存在疲劳极限。疲劳裂纹总是从承受最大应力的试样表面萌生。 应用三点弯曲超声疲劳试验系统,分别在应力比R=0.1,R=0.5 R=0.7及条件下,进行TiAl基合金三点弯曲超声疲劳试验,结果发现: (1) 应力比R=0.7时,在疲劳循环数大于10~7周时,S-N曲线呈现水平,而当R=0.1及R=0.5时,S-N曲线在10~5-10~(10)周之间连续下降,不存在疲劳极限。应力比影响TiAl基合金的超高周疲劳行为。 (2) TiAl基合金的疲劳寿命主要由疲劳裂纹萌生阶段决定,疲劳源主要发生在承受最大应力的试样表面,在超高周循环下,疲劳裂纹也会从试样次表面下的疏松、层片域团界面的γ晶


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