本文關(guān)鍵詞：TC4鈦合金葉片振動(dòng)疲勞裂紋擴(kuò)展行為及其數(shù)值模擬

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【摘要】：TC4鈦合金在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛,在其服役期間最常見的失效形式是疲勞。目前關(guān)于TC4疲勞性能的研究主要集中于低頻疲勞和裂紋萌生壽命方面,對(duì)于高頻共振狀態(tài)下TC4的疲勞性能的研究比較少,本文主要研究了TC4(Ti-6Al-4V)鈦合金板材及其焊接接頭在高頻共振狀態(tài)下的疲勞裂紋擴(kuò)展特性,從微觀組織上解釋了母材及焊接接頭裂紋擴(kuò)展速率的存在差異的原因,計(jì)算了某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片微束等離子弧焊接修復(fù)前后的裂紋擴(kuò)展壽命變化。本文主要內(nèi)容及結(jié)論如下:通過振動(dòng)疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn),獲得TC4鈦合金板材及焊接接頭焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的裂紋擴(kuò)展速率公式,對(duì)比可得熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的抗裂紋擴(kuò)展能力均比母材要好。通過微觀組織觀察及斷口形貌分析可知:(1)母材疲勞裂紋源處有明顯的氧化現(xiàn)象;穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)的裂紋擴(kuò)展機(jī)制主要為穿晶斷裂,也存在沿晶斷裂。(2)焊縫組織許多細(xì)小α′針狀馬氏體的存在,對(duì)裂紋擴(kuò)展有阻礙作用,因此焊縫的抗裂紋擴(kuò)展性能比母材要好。焊縫疲勞斷口的裂紋源區(qū)無明顯氧化現(xiàn)象;裂紋擴(kuò)展區(qū)的擴(kuò)展機(jī)制以沿晶斷裂為主,穿晶斷裂為輔;瞬斷區(qū)的韌窩較小較淺,塑性較差。(3)熱影響區(qū)內(nèi)的α′針狀馬氏體比焊縫內(nèi)的α′針狀馬氏體更為短小、取向更為復(fù)雜,對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻力更大,所以熱影響區(qū)擁有比焊縫更好的抗裂紋擴(kuò)展性能。熱影響區(qū)裂紋擴(kuò)展區(qū)的擴(kuò)展機(jī)制以穿晶斷裂為主,沿晶斷裂為輔。利用ABAQUS有限元軟件模擬了TC4鈦合金板材的振動(dòng)狀態(tài),基于Paris公式計(jì)算了母材試樣的裂紋擴(kuò)展壽命,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值存在一定誤差。以某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)中壓壓氣機(jī)葉片為例,計(jì)算不同部位焊接修復(fù)前后裂紋擴(kuò)展階段的疲勞壽命可得,葉片葉尖部位焊接接頭的疲勞壽命比母材高;葉中和葉根部位焊接接頭的疲勞壽命相比母材均有所降低。
【關(guān)鍵詞】：TC4鈦合金 焊接接頭 振動(dòng)疲勞 裂紋擴(kuò)展速率 疲勞壽命
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)民航大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：V252;V232.4
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 緒論10-19
• 1.1 本課題研究的目的及意義10-11
• 1.2 相關(guān)領(lǐng)域研究現(xiàn)狀11-12
• 1.2.1 振動(dòng)疲勞研究現(xiàn)狀11-12
• 1.2.2 鈦合金疲勞裂紋擴(kuò)展研究現(xiàn)狀12
• 1.3 鈦合金的特性12-14
• 1.3.1 鈦合金的特點(diǎn)及應(yīng)用12-13
• 1.3.2 鈦合金的焊接特點(diǎn)13-14
• 1.4 疲勞裂紋擴(kuò)展的基本理論14-18
• 1.4.1 裂紋的類型14-15
• 1.4.2 裂紋尖端附近的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)15-16
• 1.4.3 疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線16-18
• 1.5 本論文的主要研究?jī)?nèi)容18-19
• 第二章 試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法19-25
• 2.1 試驗(yàn)材料19
• 2.2 試驗(yàn)設(shè)備19-22
• 2.2.1 微束等離子弧焊接設(shè)備19-20
• 2.2.2 氣動(dòng)共振疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)20-22
• 2.3 試驗(yàn)方法22-25
• 2.3.1 焊接方法22
• 2.3.2 振動(dòng)疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)內(nèi)容及方法22-25
• 第三章 TC4鈦合金母材及焊接接頭振動(dòng)疲勞裂紋擴(kuò)展研究25-34
• 3.1 試樣的振動(dòng)特性25-27
• 3.1.1 試樣的幅-頻特性和相-頻特性25
• 3.1.2 試樣的共振頻率與裂紋長(zhǎng)度的關(guān)系25-26
• 3.1.3 TC4試樣振幅與應(yīng)力的關(guān)系26-27
• 3.2 母材與焊接接頭疲勞裂紋擴(kuò)展速率27-32
• 3.3 本章小結(jié)32-34
• 第四章 TC4鈦合金母材及焊接接頭裂紋擴(kuò)展機(jī)理分析34-42
• 4.1 母材與焊接接頭微觀組織分析34-36
• 4.1.1 TC4鈦合金母材金相組織分析34
• 4.1.2 焊接接頭焊縫金相組織分析34-36
• 4.2 母材與焊接接頭疲勞斷口形貌分析36-41
• 4.2.1 母材疲勞斷口形貌分析36-38
• 4.2.2 焊接接頭焊縫疲勞斷口形貌分析38-39
• 4.2.3 焊接接頭熱影響區(qū)疲勞斷口形貌分析39-41
• 4.3 本章小結(jié)41-42
• 第五章 TC4鈦合金振動(dòng)疲勞的有限元模擬42-51
• 5.1 TC4鈦合金振動(dòng)疲勞試樣模態(tài)分析42-45
• 5.1.1 有限元模型的建立42
• 5.1.2 共振頻率計(jì)算42-44
• 5.1.3 共振模態(tài)分析44-45
• 5.2 TC4鈦合金振動(dòng)疲勞試樣裂紋尖端應(yīng)力分析45-47
• 5.2.1 預(yù)制裂紋45
• 5.2.2 裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子模擬計(jì)算45-47
• 5.3 TC4鈦合金振動(dòng)疲勞試樣剩余壽命計(jì)算47-49
• 5.3.1 TC4鈦合金不同應(yīng)力下的裂紋擴(kuò)展壽命計(jì)算47-48
• 5.3.2 TC4鈦合金不同初始裂紋下的疲勞剩余壽命計(jì)算48
• 5.3.3 TC4鈦合金試樣裂紋擴(kuò)展疲勞壽命計(jì)算48-49
• 5.4 本章小結(jié)49-51
• 第六章 TC4鈦合金葉片焊接前后裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)估51-58
• 6.1 葉片應(yīng)力分析51-52
• 6.2 葉片裂紋擴(kuò)展壽命計(jì)算52-54
• 6.2.1 葉片裂紋平面化處理52-53
• 6.2.2 葉片不同部位裂紋擴(kuò)展曲線計(jì)算53-54
• 6.3 葉片焊接前后裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)估54-56
• 6.3.1 葉片損傷容限計(jì)算54-55
• 6.3.2 葉片焊接前后裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)估55-56
• 6.4 本章小結(jié)56-58
• 結(jié)論58-60
• 參考文獻(xiàn)60-64
• 致謝64-65
• 作者簡(jiǎn)介65

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