超声振动载荷下材料的超高周疲劳性能研究

【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