钛合金螺栓连接件疲劳与微动疲劳行为的研究

摘要

钛合金因其具备高的比强度、优异的耐腐蚀性能、较好的高温强度等特点，在航空工业中得到了广泛应用。钛合金紧固件连接件是现代先进飞机上的典型结构，其失效破坏包括紧固件自身的疲劳、连接板材紧固孔处的疲劳等。但对于螺栓孔与钛合金紧固件连接接触面上微动作用引发的疲劳失效的研究报道较少，其有效控制技术途径的研究也不多见。而对这些问题的深入研究无疑对于确保飞机结构的安全使用十分重要。本文针对上述背景，探讨了钛合金螺栓及其连接高强度钢30CrMnSiA和铝合金LY12板件的疲劳损伤行为，及钛合金螺栓进行普通阳极氧化的影响作用；研究了TC16钛合金螺栓的常规疲劳和微动疲劳行为；研究了带孔30CrMnSiA钢板件以及带孔LY12铝合金板件的疲劳行为；探讨了兰色阳极氧化、脉冲阳极氧化和微弧等离子阳极氧化、喷丸强化(SP)及其复合处理对钛合金微动疲劳行为的影响；深入分析了钛合金及其连接结构的常规疲劳、微动疲劳失效机理，及表面处理的作用机制。确定出了以脉冲阳极化膜层与SP联合处理以期改进钛合金FF抗力的可能性途径。得出以下主要研究结论： (1)TC16钛合金紧固件连接30CrMnSiA高强度钢板件结构在外加拉-拉疲劳载荷下，30CrMnSiA钢板孔由于微动疲劳作用而发生断裂，在本文试验条件下，其寿命较带自由孔的30CrMnSiA钢板件常规疲劳寿命下降约60﹪。脱层和磨粒磨损是板孔微动疲劳的主要损伤形式。 (2)TC16钛合金紧固件连接30CrMnSiA高强度钢板结构在拉-拉疲劳载荷下，钛合金螺栓由于弯曲疲劳作用会发生疲劳断裂，在本文试验条件下，由于微动区处于压应力或低水平张应力状态，因而未发生微动疲劳破坏。 (3)TC16钛合金紧固件连接LY12铝合金板件结构在外加拉-拉疲劳载荷下，LY12铝合金板孔由于微动疲劳作用而发生断裂，在本文试验条件下，其寿命较带自由孔的板件常规疲劳寿命下降约61﹪。脱层和磨粒磨损是板孔微动疲劳的主要损伤形式。 (4)钛合金螺栓表面进行普通兰色或脉冲阳极氧化处理，有利于改善30CrMnSiA高强度钢连接板和LY12铝合金连接板的微动疲劳性能；然而，由于阳极氧化处理造成钛合金表面韧性降低，其常规弯曲疲劳性能明显下降。 (5)喷丸强化使Ti811钛合金的微动疲劳抗力显著提高，此归于喷丸引入的表面残余压应力对裂纹早期扩展的有效控制。 (6)兰色阳极氧化处理和脉冲阳极氧化处理对TC16钛合金的微动疲劳抗力影响不显著，兰色阳极化处理使Ti811合金的微动疲劳抗力有所降低。5μm厚的脉冲阳极氧化处理层使Ti811合金的FF抗力稍有降低，而10μm厚的脉冲阳极氧化处理层则使其微动疲劳抗力稍有增大。微弧阳极氧化处理能够较明显地提高Ti811合金的微动疲劳抗力。 (7)喷丸强化与脉冲阳极氧化处理使Ti811合金的微动疲劳抗力显著提高，其效果优于喷丸强化单独作用。 (8)喷丸形变强化在30CrMnSiA高强度钢和LY12铝合金板孔周围形成残余压应力，有效地提高这两类金属材料螺栓连接孔结构的微动疲劳抗力，在本文研究条件下，LY12铝合金板孔结构微动疲劳性能改进效果更明显。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

第二章实验研究方法

第三章钛合金螺栓及其连接板件疲劳损伤行为的研究

3.1钛合金表面阳极化膜层的性能

3.2 TC16钛合金螺栓的疲劳行为

3.3带孔30CrMnSiA钢板件的疲劳行为

3.4带孔LY12铝合金板件的疲劳行为

第四章阳极氧化与喷丸强化对钛合金微动疲劳行为的影响

4.1 Ti811钛合金的微动疲劳行为

4.2表面阳极氧化对钛合金微动疲劳抗力的影响

4.3喷丸强化对Ti811钛合金微动疲劳抗力的影响

4.4阳极氧化与喷丸强化联合对钛合金微动疲劳抗力的作用

4.5微弧氧化对Ti811合金微动疲劳抗力的影响

第五章喷丸强化对带孔板件的微动疲劳抗力的作用

第六章主要结论

参考文献

致 谢

攻读硕士学位期间发表的论文

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