Ti-6Al-4V钛合金燕尾榫结构微动疲劳性能研究

摘要

燕尾榫联结结构是汽轮机、航空发动机等动力机械中联结转子和叶片的重要结构，其结构完整性对动力机械的安全服役至关重要。燕尾榫结构工作环境恶劣，应力状态复杂，榫头与榫槽联结面因离心力和振动载荷作用极易发生微动疲劳现象进而失效，是叶片的主要失效形式，给动力机械的运转带来巨大安全隐患和经济损失。微动疲劳现象非常复杂，还有很多问题亟待研究和解决，因此对燕尾榫榫结构微动疲劳性能展开研究具有重要意义。
　　钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀性好等优良性能，在航空航天、机械、生物工程、医疗等领域应用十分广泛，但其耐磨性差，极易发生微动疲劳现象，因此对钛合金的微动疲劳性能进行研究十分必要。本文选用研制最早、工艺最成熟、应用最广泛的老牌钛合金Ti-6Al-4V进行研究。
　　论文根据微动疲劳领域的研究进展，基于榫型结构微动疲劳试验，研究了不同疲劳载荷下 Ti-6Al-4V钛合金燕尾榫结构微动疲劳裂纹萌生扩展规律，并对磨损表面磨损情况进行分析，探究微动疲劳裂纹萌生扩展机理，疲劳载荷对微动疲劳寿命的影响，为该材料工程上小裂纹的止裂及微动疲劳的防护提供数据支持。本文主要研究工作和成果如下:
　　1.针对 Ti-6Al-4V榫型结构进行微动疲劳试验，试验在相同应力比，相同加载频率，不同疲劳载荷下进行。通过试验得到该结构微动疲劳寿命曲线，并与同种材料常规疲劳寿命曲线对比，结果表明微动疲劳现象的发生使得构件的疲劳寿命下降了约70％。微动疲劳寿命曲线较常规疲劳寿命曲线陡峭，即在该应力范围内载荷的增大对微动疲劳寿命的影响较小。
　　2.试验中通过间歇试验测量得到裂纹扩展寿命曲线，并实时观测微观裂纹萌生扩展情况。从曲线中可以看出疲劳载荷对微动裂纹萌生寿命的影响不大，主要影响裂纹扩展寿命。裂纹在接触应力与循环载荷共同作用下以一定角度起裂并扩展一定距离后转向与接触表面垂直方向，在循环载荷的作用下扩展至断裂失效。
　　3.在扫描电镜下对接触区域磨损形貌进行分析，粘着区损伤轻微，滑移区损伤最为严重，但该区域快速磨损导致新生微裂纹很快被磨平，降低了宏观裂纹形成的可能性。因此，混合区成为微动裂纹萌生扩展的高危区域。
　　4.在扫描电镜下对微动疲劳断口进行分析，与常规疲劳断口的区别是微动疲劳断口存在多个线状裂纹源点，除主裂纹外的微裂纹大多在几个晶粒范围内止裂。

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附表索引

第1章 绪论

1.1 选题背景及课题来源

1.2 国内外研究现状

1.3 目前存在的问题

1.4 本文主要的研究工作

第2章 试验材料和试验方法

2.1 引言

2.2 实验材料

2.3 试验方法

2.4 本章小结

第3章 Ti-6Al-4V钛合金原位拉伸试验

3.1引言

3.2原位拉伸试验结果

3.3 本章小结

第4章 Ti-6Al-4V燕尾榫结构微动疲劳实验研究

4.1 引言

4.2 Ti-6Al-4V钛合金燕尾榫结构微动疲劳试验

4.3 本章小结

第5章 对比讨论

5.1 引言

5.2 与有限元结果对比

5.3 国外相关研究

5.4 本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

致谢

附录A：攻读硕士学位期间所发表的学术论文