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107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107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(＜106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109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=0.5R=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107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105-1010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晶粒处萌生。疲劳裂纹以穿晶断裂方式扩展，长寿命疲劳试样的断口，呈现较多的二次裂纹和片状解理特征，说明在裂纹扩展过程中，断口周围仍然持续发生着二次的形变和开裂过程。应力比、应力幅影响裂纹的扩展方式，当应力比R=0.7时，穿层断裂为主要的裂纹扩展方式，应力比R=0.1及R=0.5，出现了更多的沿层裂纹扩展。 应用高精度红外线热像仪测量了材料在超声疲劳过程中温度的变化。分析了超声疲劳试验过程中材料的能耗过程，在此基础上，构建了能量耗散方程，并推导出影响超声疲劳试样温度升高的因素。结果表明，试样几何尺寸是影响其温度升高的一个重要因素。因此，材料的阻尼特性是超声疲劳试样优化设计过程需考虑的又一重要因素。此外，超声疲劳试样温度的变化反映了材料的微观塑性变形过程，在材料内部微裂纹的扩展过程中，局部塑性变形加剧，并伴随着疲劳试样温度的急剧升高。材料的超高周寿命主要由裂纹萌生阶段决定。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2超声振动疲劳研究进展

1.2.1超声振动疲劳理论研究

1.2.2超声疲劳试验技术的应用研究

1.3超高周疲劳机理研究

1.3.1频率效应

1.3.2疲劳断裂机理

1.4材料的疲劳寿命预测

1.5研究意义和研究内容

1.5.1研究意义

1.5.2研究内容

参考文献

第二章超声振动疲劳理论及试验系统设计

2.1超声疲劳试验系统

2.1.1纵向拉压超声疲劳试验系统

2.1.2超声扭转疲劳试验系统

2.1.3三点弯曲超声疲劳试验系统

2.1.4控制系统

2.2疲劳振动理论分析

2.2.1纵向振动微分方程

2.2.2扭转振动微分方程

2.2.3弯曲振动微分方程

2.3超声放大器设计

2.3.1带悬链线过渡的位移放大器特征长度的计算

2.3.2计算结果与讨论

2.3.3超声放大器的有限元计算

2.4连接器的设计

2.4.1动力学模型及基本参数

2.4.2有限元计算及动态模态分析

2.5超声振动疲劳试样设计

2.5.1纵向振动试样的设计

2.5.2超声扭转疲劳试样设计

2.5.3超声弯曲疲劳试样设计

2.6疲劳振动系统的匹配分析

2.6.1超声放大器与压头的匹配分析

2.6.2超声扭转疲劳系统中放大器的匹配分析

2.5小结

参考文献

第三章材料的超高周疲劳试验研究

3.1材料

3.1.1金属材料

3.1.2 TiAl基合金

3.2试样制备

3.2.1拉伸疲劳试样

3.2.2扭转疲劳试样

3.2.3弯曲疲劳试样

3.3疲劳试验过程

3.3.1金属材料

3.3.2 TiAl基合金

3.4试验结果

3.4.1球墨铸铁GS51

3.4.2 D38MSV5S钢

3.4.3铸铝2-AS5U3G-Y35

3.4.4 TiAl基合金

3.5疲劳寿命分析

3.6讨论

3.6.1频率的影响

3.6.2应力比的影响

3.7小结

参考文献

第四章超高周疲劳机理分析

4.1疲劳断口分析

4.1.1球墨铸铁GS51

4.1.2 D38MSV5S钢

4.1.3铸铝2-AS5U3G-Y35

4.1.4 TiAl基合金

4.2疲劳断裂机理

4.2.1金属材料

4.2.2 TiAl基合金

4.3微结构对材料疲劳性能的影响

4.4疲劳寿命预测

4.5小结

参考文献

第五章超声疲劳损伤过程中的能耗分析

5.1疲劳损伤过程中的能量耗散

5.2超声疲劳损伤过程中的能量耗散理论模型

5.3超声疲劳试样温度的变化

5.4讨论

5.4.1疲劳损伤过程的热像图

5.4.2温度变化的影响

5.4.3考虑能量耗散的超声疲劳试样设计

5.5小结

参考文献

第六章总结与展望

附录1 超声疲劳试验装置

附录2 攻读博士学位期间参加的科研课题及发表论文情况

致谢