本文選題：共振疲勞試驗 + 失效分析　； 參考：《中國民航大學》2015年碩士論文

【摘要】：本文基于一階恒幅共振試驗,對TC4鈦合金板材及其微束等離子焊接接頭的共振疲勞性能進行了研究。首先探尋了試樣尖端振幅與失效前振動周次之間的關(guān)系;通過替代試驗將振幅與應變聯(lián)系起來,并通過Abaqus有限元仿真修正了替代數(shù)值;繪制了TC4鈦合金板材共振疲勞S-N曲線,該S-N曲線的壽命周次區(qū)間貫穿低周、高周、超高周三個階段。然后對TC4鈦合金共振疲勞斷口形貌進行了分析;統(tǒng)計了不同應力級別與試樣裂紋源總數(shù)之間的關(guān)系;通過掃描電子顯微照片中疲勞輝紋的尺寸計算了不同應力下裂紋穩(wěn)定擴展階段的擴展速率;宏觀統(tǒng)計了裂紋快速擴展階段的擴展速率;對裂紋擴展速率試樣的斷口成因和相應機理進行了解釋。之后完成對微束等離子弧焊接接頭的顯微組織觀察、力學性能測試、顯微硬度測試和共振疲勞性能研究;得到了應力級別與焊接接頭裂紋源位置之間的關(guān)系;統(tǒng)計了焊接接頭不同位置壽命與同振幅板材壽命之間的關(guān)系。最后觀察了接頭試樣的疲勞斷口,分析了不同失效部位的失效機理;探討了試樣表面機械損傷造成的凹陷缺陷、鏈狀焊接氣孔缺陷對裂紋萌生、擴展行為的影響;統(tǒng)計了兩種缺陷造成試樣壽命下降的比例。TC4鈦合金共振疲勞試驗結(jié)果表明,材料應力越高,壽命越低,在2×105周次之前,曲線下降明顯,之后相對平緩,在振動周次超過107周次后依然會出現(xiàn)裂紋失效;其共振疲勞極限為422MPa,該數(shù)值與由TC4制造的葉片的共振疲勞極限基本相同。TC4鈦合金板材共振疲勞斷口形貌分析表明,材料在低周、高周、超高周情況下皆為脆性斷裂,其中應力越高,斷口越有延性特點,應力越低,斷口越展現(xiàn)解理形貌;裂紋擴展遵循穿晶、沿晶兩種機制;裂紋個數(shù)與應力級別基本呈負相關(guān)關(guān)系;在裂紋穩(wěn)定擴展階段,裂紋擴展速率與加載應力呈正相關(guān);裂紋最初沿著剪切應力方向萌生,逐漸趨向于垂直于應力的方向擴展,當完全垂直時,裂紋擴展速率有明顯變大現(xiàn)象。焊接接頭共振疲勞試驗結(jié)果表明,高應力下焊接接頭失效位置為熱影響區(qū)細晶區(qū),該位置疲勞壽命相比于同振幅板材有所下降;低應力下接頭失效位置為焊縫,焊縫的疲勞壽命高于同振幅板材。焊接接頭振動疲勞斷口形貌分析表明,無論在熱影響區(qū)細晶區(qū)失效還是在焊縫失效,其失效形式皆為脆性,斷口呈現(xiàn)解理形貌;對于裂紋穩(wěn)定擴展階段,焊接接頭的裂紋擴展速率明顯快于板材,試樣壽命主要集中在裂紋萌生階段;表面凹陷缺陷可以成長為裂紋源,導致接頭疲勞壽命下降近一成;鏈狀氣孔缺陷沒有成長為裂紋源,但是它們的存在改變了裂紋擴展速率和方向,使接頭壽命下降近兩成。
[Abstract]:Based on the first order constant amplitude resonance test, the resonance fatigue properties of TC4 titanium alloy sheet and its microbeam plasma welding joint are studied. The relationship between the amplitude of the specimen tip and the vibration cycle before failure is explored. The amplitude and strain are correlated with the strain through the substitution test, and the substitution value is corrected by Abaqus finite element simulation. The S-N curve of resonance fatigue of TC4 titanium alloy sheet is drawn. The life cycle of the S-N curve runs through three stages: low cycle, high cycle and super high cycle. Then, the morphology of resonance fatigue fracture of TC4 titanium alloy was analyzed, and the relationship between different stress levels and the total number of crack sources of TC4 titanium alloy was analyzed. Through the size of fatigue stripes in scanning electron microscopy (SEM), the propagation rate of crack stable growth stage under different stresses is calculated, and the propagation rate of crack rapid growth stage is calculated macroscopically. The fracture formation and the corresponding mechanism of crack growth rate specimen are explained. The microstructure, mechanical properties, microhardness and resonance fatigue properties of microbeam plasma arc welded joints were studied, and the relationship between the stress level and the location of the crack source of the welded joints was obtained. The relationship between the life of welded joint at different position and the life of plate with the same amplitude is calculated. Finally, the fatigue fracture of the joint specimen was observed, and the failure mechanism of different failure sites was analyzed, and the effect of the mechanical damage on the crack initiation and propagation behavior was discussed, as well as the effect of the chain welding porosity defect on the crack initiation and propagation behavior. The results of resonance fatigue test of TC4 titanium alloy show that the higher the stress is, the lower the life is, and the curve decreases obviously before 2 脳 10 ~ 5 weeks, and then relatively flat. The resonance fatigue limit is 422MPa, which is basically the same as the resonant fatigue limit of the blade fabricated by TC4. The results show that the material is in low cycle by the analysis of the resonance fatigue fracture morphology of the titanium alloy sheet, which is made of TC4, and the crack failure will occur after the vibration cycle exceeds 107 cycles, and the resonance fatigue limit of the material is 422MPa, which is similar to that of the blade fabricated by TC4. At high cycle and ultra-high cycle, the fracture surface is brittle fracture. The higher the stress, the more ductile the fracture surface, the lower the stress, the more cleavage appearance of fracture surface, the more transgranular and intergranular mechanism the crack propagation is, the higher the fracture surface is, the higher the stress is, the lower the stress is, the higher the fracture surface is. The number of cracks is negatively correlated with the stress level, the crack growth rate is positively correlated with the loading stress at the stage of stable crack growth, and the crack originates along the direction of shear stress and tends to propagate perpendicular to the direction of stress. When the crack growth rate is completely vertical, the crack growth rate increases obviously. The results of resonance fatigue test show that the failure position of welded joint under high stress is in the heat affected zone, and the fatigue life of this position is lower than that of the same amplitude plate, and the failure position of the joint under low stress is weld, and the fatigue life of the welded joint is lower than that of the plate with the same amplitude. The fatigue life of the weld is higher than that of the plate with the same amplitude. The analysis of the vibration fatigue fracture morphology of welded joint shows that the failure mode is brittle and cleavage in both the heat affected zone and the weld seam, and for the stable crack growth stage, the fracture is brittle and the fracture surface is cleavage. The crack growth rate of the welded joint is obviously faster than that of the plate, and the life of the specimen is mainly concentrated in the crack initiation stage, and the surface sunken defects can grow into the source of the crack, resulting in the fatigue life of the joint falling by nearly 10%. The chained pore defects did not grow into crack sources, but their existence changed the crack growth rate and direction and reduced the life of the joints by nearly 20%.
【學位授予單位】：中國民航大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG407

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本文編號：2019500