舰船关键节点钛合金过载保载-疲劳性能研究
发布时间：2021-10-07 05:18
通过对相关理论的研究,发现在梯形波载荷谱中,增加过载波形会对裂纹扩展速率有较大影响。因此,为了最大限度模拟服役环境的复杂性,研究舰船关键节点处材料的疲劳性能。本文分别对舰船关键节点处钛合金材料Ti-6Al-4V进行试验研究,设计并开展了不同保载时间、不同过载比下的过载保载-疲劳裂纹扩展速率试验,并在试验的基础上,对所提出的考虑载荷次序效应的预报模型有效性进行验证,从而证明预报模型与试验结果有潜在的工程应用价值。
【文章来源】：舰船科学技术. 2020,42(17)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
CT试样标准尺寸（mm）Fig.1SchematicshowingthesizeofsamplesofCT（mm）.
经过对过载保载-裂纹扩展的研究可以发现，许多学者对钛合金材料的疲劳寿命进行过试验与预报方法的研究，但主要集中在单峰过载疲劳与多峰过载疲劳，对考虑过载与保载共同影响的研究较少，考虑到海洋环境的复杂性及舰船工作状态的不确定性，开展钛合金材料过载保载-疲劳裂纹扩展速率的研究很有必要。因此，开展钛合金材料过载保载-疲劳裂纹扩展速率的试验研究对寿命预报方法的完善有重要的科学价值，对解决其他工程应用有重要的意义。1试验设计与开展1.1材料选择钛合金材料Ti-6Al-4V是第一个被研制成功的实用型钛合金，而且大量应用于舰船的关键节点和潜艇的耐压壳结构，本试验所用试件根据国家标准GB/T3620.1-2007制备。表1Ti–6Al–4V化学性质Tab.1ChemicalcompositionofTi–6Al–4V（wt%）.TiAlVFeCNHOBase6.24.10.120.010.010.0020.11表2Ti–6Al–4V材料性能Tab.2MechanicalpropertiesofTi–6Al–4VσY/MPaσμ/MPaE/MPaν102710691316240.341.2试验设计本次过载保载-疲劳裂纹扩展速率试验是在室温环境下进行，试验设备采用100kN电子蠕变持久疲劳试验平台，试验机和引伸计的精度均满足国标GB/T6398-2000和美国标准ASTME647《StandardTestMethodforMeasurementofFatigueCrackGrowthRates》的要求。本试验采用根据GB/T6398-2000加工制备的CT试样，且在CT试样顶部开夹持槽以满足不同引伸计的量程，尺寸标准如图1所示。a0/Wa0根据国标GB/T211432007规定，应为0.45–0.7之间，最小的预制疲劳裂纹扩展量大于1.3mm或2.5%W中较大者，因此试验开始之前预制疲劳裂纹扩展量为2mm，为24.5mm。本文进行的是弹性范围内的过载保载-疲劳裂纹扩展速率试验，最大载荷为8kN，过载比OLR=1.2，1.5，载荷比R=0.03，保载
K=(2+aW)×0.866+4.64(aW)13.32(aW)2+14.72(aW)35.6(aW)4(1aW)1.5×FBW0.5。(1)da/dNKK由图4和图5的曲线可知，保载时间t对TC4长裂纹保载-疲劳裂纹扩展速率具有明显的影响，随着应力强度因子范围以及保载时间的增加，保载-疲劳裂纹扩展速率明显增加，且保载-疲劳裂纹扩展速率约为疲劳裂纹扩展速率的2~5倍。过载载荷的引入，会使试件的裂纹扩展速率有明显的增加，之后会产生一定的迟滞区域，即过载迟滞效应。随着过载比OLR的增加，试件裂纹扩展速率回复到常幅载荷裂纹扩展速率的时间增加，也就是说迟滞区域会随着过载比的增加而增加。3预报结果分析3.1预报模型选择与修正ΦRC本文所应用的模型为王珂等提出的考虑过载载荷次序因子的保载-疲劳裂纹扩展速率预报模型公式，该模型考虑了过载载荷以及保载时间的影响。dadN=ΦRC×A1[K(KthRKths)(1ek(ad))Kths]m11(Kmax/KC)n1+A2thold[(σmaxσR)(σYσR)]κK1(KmaxKC)n2m2，(2)图3a-N曲线Fig.3a-Ncurves图4过载比OLR=1.2保载-疲劳裂纹扩展速率曲线Fig.4OLR=1.2dwell-fatiguecrackgrowthratecurve图5过载比OLR=1.5保载-疲劳裂纹扩展速率曲线Fig.5OLR=1.5dwell-fatiguecrackgrowthratecurve第42卷李永正，等：舰船关键节点钛合金过载保载-疲劳性能研究·19·
本文编号：3421430
【文章来源】：舰船科学技术. 2020,42(17)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
CT试样标准尺寸（mm）Fig.1SchematicshowingthesizeofsamplesofCT（mm）.
经过对过载保载-裂纹扩展的研究可以发现，许多学者对钛合金材料的疲劳寿命进行过试验与预报方法的研究，但主要集中在单峰过载疲劳与多峰过载疲劳，对考虑过载与保载共同影响的研究较少，考虑到海洋环境的复杂性及舰船工作状态的不确定性，开展钛合金材料过载保载-疲劳裂纹扩展速率的研究很有必要。因此，开展钛合金材料过载保载-疲劳裂纹扩展速率的试验研究对寿命预报方法的完善有重要的科学价值，对解决其他工程应用有重要的意义。1试验设计与开展1.1材料选择钛合金材料Ti-6Al-4V是第一个被研制成功的实用型钛合金，而且大量应用于舰船的关键节点和潜艇的耐压壳结构，本试验所用试件根据国家标准GB/T3620.1-2007制备。表1Ti–6Al–4V化学性质Tab.1ChemicalcompositionofTi–6Al–4V（wt%）.TiAlVFeCNHOBase6.24.10.120.010.010.0020.11表2Ti–6Al–4V材料性能Tab.2MechanicalpropertiesofTi–6Al–4VσY/MPaσμ/MPaE/MPaν102710691316240.341.2试验设计本次过载保载-疲劳裂纹扩展速率试验是在室温环境下进行，试验设备采用100kN电子蠕变持久疲劳试验平台，试验机和引伸计的精度均满足国标GB/T6398-2000和美国标准ASTME647《StandardTestMethodforMeasurementofFatigueCrackGrowthRates》的要求。本试验采用根据GB/T6398-2000加工制备的CT试样，且在CT试样顶部开夹持槽以满足不同引伸计的量程，尺寸标准如图1所示。a0/Wa0根据国标GB/T211432007规定，应为0.45–0.7之间，最小的预制疲劳裂纹扩展量大于1.3mm或2.5%W中较大者，因此试验开始之前预制疲劳裂纹扩展量为2mm，为24.5mm。本文进行的是弹性范围内的过载保载-疲劳裂纹扩展速率试验，最大载荷为8kN，过载比OLR=1.2，1.5，载荷比R=0.03，保载
K=(2+aW)×0.866+4.64(aW)13.32(aW)2+14.72(aW)35.6(aW)4(1aW)1.5×FBW0.5。(1)da/dNKK由图4和图5的曲线可知，保载时间t对TC4长裂纹保载-疲劳裂纹扩展速率具有明显的影响，随着应力强度因子范围以及保载时间的增加，保载-疲劳裂纹扩展速率明显增加，且保载-疲劳裂纹扩展速率约为疲劳裂纹扩展速率的2~5倍。过载载荷的引入，会使试件的裂纹扩展速率有明显的增加，之后会产生一定的迟滞区域，即过载迟滞效应。随着过载比OLR的增加，试件裂纹扩展速率回复到常幅载荷裂纹扩展速率的时间增加，也就是说迟滞区域会随着过载比的增加而增加。3预报结果分析3.1预报模型选择与修正ΦRC本文所应用的模型为王珂等提出的考虑过载载荷次序因子的保载-疲劳裂纹扩展速率预报模型公式，该模型考虑了过载载荷以及保载时间的影响。dadN=ΦRC×A1[K(KthRKths)(1ek(ad))Kths]m11(Kmax/KC)n1+A2thold[(σmaxσR)(σYσR)]κK1(KmaxKC)n2m2，(2)图3a-N曲线Fig.3a-Ncurves图4过载比OLR=1.2保载-疲劳裂纹扩展速率曲线Fig.4OLR=1.2dwell-fatiguecrackgrowthratecurve图5过载比OLR=1.5保载-疲劳裂纹扩展速率曲线Fig.5OLR=1.5dwell-fatiguecrackgrowthratecurve第42卷李永正，等：舰船关键节点钛合金过载保载-疲劳性能研究·19·
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