超声加载频率对高强钢FV520B-I疲劳性能的影响研究

摘要

大型离心压缩机作为应用于众多国民经济领域的重大高端动力装备，对其设计及制造的要求也随着工程技术的不断发展而不断提高。其中叶轮作为大型离心压缩机的核心零部件，实际工作中常常由于受到各种循环载荷作用而发生疲劳失效从而限制了压缩机的发展，因此对其服役寿命的要求也达到了109周次。因此开展叶轮制造材料高强钢FV520B-I的超高周疲劳性能研究具有重大意义。由于传统疲劳实验条件的限制，开展高强钢FV520B-I的超高周疲劳研究多使用超声疲劳实验系统，但是众多针对其他金属材料的研究成果发现，超声加载频率会对实验结果产生影响，尤其是材料的疲劳性能。但现阶段关于疲劳实验加载频率对高强度钢FV520B-I疲劳性能影响的深入研究尚未开展。因此明确超声加载频率对高强度钢FV520B-I疲劳性能的影响对于实际工况中高强度钢FV520B-I的疲劳性能研究具有重要的实际意义。 本文首先针对高强钢FV520B-I分别进行了140Hz和20KHz两种加载频率下的疲劳实验。根据实验数据应用对数正态分布函数以及三参数幂函数拟合得到高强钢FV520B-I在140Hz和20KHz两种加载频率下的S-N曲线，对比分析表明高强钢FV520B-I在超声加载频率下的疲劳寿命和条件疲劳强度均大于传统加载频率下的疲劳寿命和条件疲劳强度。 然后基于超声加载频率对金属材料疲劳性能的影响，结合传统疲劳设计方法提出了一种针对具有频率效应的合金材料的超声加载频率下合金材料疲劳数据转换应用方法，应用该方法可以将超声加载频率下的疲劳实验数据转换为适用于疲劳设计及分析的实验数据，从而消除超声加载频率的影响。 最后基于所提出的疲劳数据转换应用方法，同时结合高强钢FV520B-I的传统（140Hz）疲劳实验和超声（20kHz）疲劳实验的实验数据分别建立了针对高强钢FV520B-I的条件疲劳强度转换模型和疲劳寿命转换模型，并验证了模型的适用性。

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