【摘要】：在航空發(fā)動機葉片制造領域,表面完整性對于服役部件在嚴苛環(huán)境下的工程可靠性和服役壽命有著重要的影響。表面強化技術能有效提高部件可靠性并延長其服役壽命。且由于其卓越的實用性和經(jīng)濟性,在過去的數(shù)十年間,對該技術的研究日漸興起。然而,表面強化技術對材料表面完整性的作用關系,仍需要大量的試驗數(shù)據(jù)對理論研究作以支撐。表面強化處理能在材料表面誘導產(chǎn)生殘余壓應力,同時改變其微觀結構。但部件在服役過程中,由于受到疲勞載荷等外載荷作用,殘余壓應力場及微觀結構并不能保持穩(wěn)態(tài),殘余壓應力會隨著疲勞載荷的作用發(fā)生釋放,同時其微觀結構也會發(fā)生一定的演化。本文以超聲滾壓為技術手段,對滾壓后Ti-6Al-4V合金表面完整性及其對疲勞性能的影響展開研究,探討了循環(huán)載荷作用下殘余應力的釋放機制,得到了適合超聲滾壓Ti-6Al-4V殘余應力釋放的經(jīng)驗模型。論文的主要研究內(nèi)容和結論如下:(1)進行了不同遍數(shù)的超聲滾壓加工試驗,探討了滾壓遍數(shù)對Ti-6Al-4V合金表面完整性的影響。試驗結果表明,滾壓遍數(shù)的增加能顯著降低被加工面的粗糙度、提高表面顯微硬度、增加殘余壓應力的分布范圍。澄清了超聲滾壓后Ti-6Al-4V合金表面納米晶粒的形成機制,即塑性變形和位錯運動主導的晶粒細化過程。(2)系統(tǒng)研究了超聲滾壓Ti-6Al-4V合金在應力及應變控制兩種載荷模式下的低周疲勞性能。結果表明:在低載荷區(qū)間內(nèi),超聲滾壓對鈦合金應力控制和應變控制疲勞壽命都有明顯的提升。而在高載荷區(qū),超聲滾壓的作用逐漸減弱。超聲滾壓對材料低周疲勞性能的提高主要體現(xiàn)在裂紋起裂和擴展兩個階段,并分別從粗糙度、殘余應力和微觀結構方面做了探討。對比兩種載荷模式的疲勞試驗結果,發(fā)現(xiàn)超聲滾壓后,在高應力區(qū),由應力控制疲勞引起的損傷和應變控制疲勞引起的損傷差異減小,這主要是由于超聲滾壓后材料的循環(huán)軟化特性減弱。(3)進行了超聲滾壓處理后Ti-6Al-4V合金高周疲勞試驗,發(fā)現(xiàn)超聲滾壓處理未能有效提高Ti-6Al-4V合金高周疲勞壽命。雖然斷口觀察顯示超聲滾壓阻礙了疲勞裂紋從材料表面萌生,但超聲滾壓后的試樣高周疲勞壽命卻沒有提高,這可能是由于高頻率的循環(huán)加載帶來的兩組試樣發(fā)熱差異性導致的。(4)研究了超聲滾壓后Ti-6Al-4V合金在循環(huán)載荷作用下的表面殘余應力釋放行為及表面微納結構的演化。采用間斷的應變控制和應力控制疲勞試驗,研究了超聲滾壓誘導的表面殘余應力在不同載荷水平下的釋放規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn):在第一個循環(huán)周次后,所有載荷水平的試樣均發(fā)生了殘余應力釋放,而后續(xù)的釋放程度和釋放速率與外加的載荷水平有關。而且,在循環(huán)載荷作用下,Ti-6Al-4V合金表面的納米晶粒發(fā)生粗化。疲勞過程中的殘余應力釋放和表面納米晶粒的粗化都與載荷引起的塑性變形密切相關。(5)總結和梳理了現(xiàn)有的循環(huán)載荷殘余應力釋放模型,并基于現(xiàn)有模型,結合本文的殘余應力釋放試驗結果,得到了在循環(huán)載荷作用下超聲滾壓Ti-6Al-4V合金表面殘余應力釋放的經(jīng)驗公式。
【圖文】：

Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｃｒｙｓｔａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ邋ｏｆ邋（ａ）邋ａ－邋ａｎｄ邋（ｂ）邋ｐ－ｔｉｔａｎｉｕｍ逡逑麥克格維倫在１９５６年提出根據(jù)退火態(tài)相組成對鈦合金進行分類，該方法稱為古典逡逑的鈦合金分類法，其簡圖如圖１．２所示。這種分類方法將鈦合金分為三種類型：ａ型、逡逑ａ＋Ｐ型和Ｐ型。ａ型鈦合金主要應用于化工和加工工業(yè)。這些應用行業(yè)中首要考慮的是逡逑合金是否具備優(yōu)秀的抗腐蝕性能和形變能力，而對其高比強性能的要求次之；ａ＋卩型鈦逡逑合金一般具有高強度和高幵性，在航空工業(yè)領域有著廣泛的應用，如Ｔｉ－６－６－２，主要應逡逑用于燃氣渦輪發(fā)動機中的高溫零件；！３型鈦合金在進幾十年的工業(yè)應用領域中的重要性逡逑逐步提高，這類合金因具有較為復雜的顯微組織結構而具備獲得更高的強度和韌性，，但逡逑密度高、可焊接性適中和抗氧化性能差等因素也限制了該類合金的更廣泛應用［６］。逡逑ａ邐Ｍｅｔａｓｉａｂｌｅ邋Ｓｔａｂｌｅ逡逑ａ＋Ｐ邋Ａｌｌｏｙ逡逑Ａｌｌｏｖ邐｜ｉ邋Ａｌｌｏｖ邋ｐ邋Ａｌｌｏｙ逡逑Ｉ邋＼邋ｘ邋ａ４＊ｐ逡逑Ｐ－邋Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ邋Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ逡逑圖１．２邋ｐ穩(wěn)定化元素對鈦合金組織影響示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｐｓｅｕｄｏ－ｂｉｎａｒｙ邋ｓｅｃｔｉｏｎ邋ｔｈｒｏｕｇｈ邋ａ邋Ｐ邋ｉｓｏｍｏｒｐｈｏｕｓ邋ｐｈａｓｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋（ｓｃｈｅｍａｔｉｃａｌｌｙ）逡逑

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【學位授予單位】：華東理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：V231.95

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

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本文編號：2653052