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Ti-6Al-4V钛合金小裂纹扩展行为与寿命预测

胡本润  
【摘要】:本文研究了两种热处理状态的Ti-6Al-4V 钛合金锻件的疲劳小裂纹萌 生和扩展行为。这两种热处理状态的材料具有相似片层组织结构,不同的α 片层宽度。研究工作主要包括: (i)片层组织结构对小裂纹扩展行为的影响,包括对裂纹扩展加速、减速的 作用以及对裂纹扩展路径等方面的影响。 (ii)使用应力强度因子范围(△K)对恒幅载荷R=0和-1下的长裂纹和小裂 纹扩展速率(da/dN)进行关联,以比较在不同应力比下两种材料是否具有 小裂纹效应。 (iii)两种材料片层宽度的差别对小裂纹扩展行为的影响; (iv)使用基于裂纹闭合理论的寿命预测模型和FASTRAN Ⅱ,对两种热处理 状态的Ti-6Al-4V合金进行了恒幅载荷及Mini-TWIST谱载下的疲劳全寿命和 小裂纹扩展速率的计算与预测,对合理估算Ti-6Al-4V合金的寿命问题进行 探讨。 通过试验与分析计算,得到以下主要结论: 两种材料中,α片层集束的边界和原始β晶界α相对小裂纹的扩展有阻 碍作用,作用大小与相邻两α片层集束的方向有关,两α集束相差角度较大, 小裂纹扩展停滞的时间较长,穿越边界后小裂纹扩展的方向改变也较大。 这一影响在晶粒尺寸较大的材料中表现得较为明显。 恒幅载荷R=0和-1下两种材料都表现出小裂纹效应,R=-1下的小裂 纹效应尤为明显,这与负应力比下裂纹闭合机制的影响较大有关。 两种材料中的小裂纹扩展,在不同应力比下表现出的差别不同。R=0 下α片层的宽度差异对早期小裂纹(小于200μm)的扩展影响较大。而R=-1 下两种材料的小裂纹扩展行为差别很小,表明在这一应力比下,片条宽度 的差异对小裂纹扩展行为的影响较小。 恒幅载荷R=-1下,两种材料在较低应力水平下的疲劳寿命分散性较 大,晶粒尺寸较小的材料表现得更为明显。SEM断口分析发现低应力水平 摘 要 下疲劳寿命分散的原因与裂纹源产生的位置不同有关。 使用基于裂纹闭合模型理论的FASTRAN 11软件对两种材料SENT试 样在 R~1恒幅载荷和 Mini1WIST谱载下的疲劳全寿命和裂纹扩展速率进 行计算与预测。结果表明大部分情况下,从假设的材料初始缺陷尺寸开始的 计算和预测值与试验结果符合很好,只是对于片层宽度较小的钛合金材料, 在较低应力水平下(180MPa)的预测精度较差,这在一定程度上是由于低应 力水平导致的疲劳寿命分散性偏大而引起的。 恒幅载荷R——1 和0下,小裂纹扩展速率的预测值都处于试验数据的 分散带内,预测结果较好地验证了小裂纹效应。


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