TC4钛合金叶片振动疲劳裂纹扩展行为及其数值模拟

发布时间：2017-08-26 12:26

  本文关键词：TC4钛合金叶片振动疲劳裂纹扩展行为及其数值模拟

  更多相关文章： TC4钛合金 焊接接头 振动疲劳 裂纹扩展速率 疲劳寿命

【摘要】：TC4钛合金在航空航天领域中的应用非常广泛,在其服役期间最常见的失效形式是疲劳。目前关于TC4疲劳性能的研究主要集中于低频疲劳和裂纹萌生寿命方面,对于高频共振状态下TC4的疲劳性能的研究比较少,本文主要研究了TC4(Ti-6Al-4V)钛合金板材及其焊接接头在高频共振状态下的疲劳裂纹扩展特性,从微观组织上解释了母材及焊接接头裂纹扩展速率的存在差异的原因,计算了某型航空发动机压气机叶片微束等离子弧焊接修复前后的裂纹扩展寿命变化。本文主要内容及结论如下:通过振动疲劳裂纹扩展试验,获得TC4钛合金板材及焊接接头焊缝区和热影响区的裂纹扩展速率公式,对比可得热影响区和焊缝区的抗裂纹扩展能力均比母材要好。通过微观组织观察及断口形貌分析可知:(1)母材疲劳裂纹源处有明显的氧化现象;稳态扩展区的裂纹扩展机制主要为穿晶断裂,也存在沿晶断裂。(2)焊缝组织许多细小α′针状马氏体的存在,对裂纹扩展有阻碍作用,因此焊缝的抗裂纹扩展性能比母材要好。焊缝疲劳断口的裂纹源区无明显氧化现象;裂纹扩展区的扩展机制以沿晶断裂为主,穿晶断裂为辅;瞬断区的韧窝较小较浅,塑性较差。(3)热影响区内的α′针状马氏体比焊缝内的α′针状马氏体更为短小、取向更为复杂,对裂纹扩展的阻力更大,所以热影响区拥有比焊缝更好的抗裂纹扩展性能。热影响区裂纹扩展区的扩展机制以穿晶断裂为主,沿晶断裂为辅。利用ABAQUS有限元软件模拟了TC4钛合金板材的振动状态,基于Paris公式计算了母材试样的裂纹扩展寿命,计算结果与实验值存在一定误差。以某型航空发动机中压压气机叶片为例,计算不同部位焊接修复前后裂纹扩展阶段的疲劳寿命可得,叶片叶尖部位焊接接头的疲劳寿命比母材高;叶中和叶根部位焊接接头的疲劳寿命相比母材均有所降低。
【关键词】：TC4钛合金 焊接接头 振动疲劳 裂纹扩展速率 疲劳寿命
【学位授予单位】：中国民航大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V252;V232.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-19
• 1.1 本课题研究的目的及意义10-11
• 1.2 相关领域研究现状11-12
• 1.2.1 振动疲劳研究现状11-12
• 1.2.2 钛合金疲劳裂纹扩展研究现状12
• 1.3 钛合金的特性12-14
• 1.3.1 钛合金的特点及应用12-13
• 1.3.2 钛合金的焊接特点13-14
• 1.4 疲劳裂纹扩展的基本理论14-18
• 1.4.1 裂纹的类型14-15
• 1.4.2 裂纹尖端附近的应力场、位移场15-16
• 1.4.3 疲劳裂纹扩展速率曲线16-18
• 1.5 本论文的主要研究内容18-19
• 第二章 试验材料、设备及方法19-25
• 2.1 试验材料19
• 2.2 试验设备19-22
• 2.2.1 微束等离子弧焊接设备19-20
• 2.2.2 气动共振疲劳试验系统20-22
• 2.3 试验方法22-25
• 2.3.1 焊接方法22
• 2.3.2 振动疲劳裂纹扩展试验内容及方法22-25
• 第三章 TC4钛合金母材及焊接接头振动疲劳裂纹扩展研究25-34
• 3.1 试样的振动特性25-27
• 3.1.1 试样的幅-频特性和相-频特性25
• 3.1.2 试样的共振频率与裂纹长度的关系25-26
• 3.1.3 TC4试样振幅与应力的关系26-27
• 3.2 母材与焊接接头疲劳裂纹扩展速率27-32
• 3.3 本章小结32-34
• 第四章 TC4钛合金母材及焊接接头裂纹扩展机理分析34-42
• 4.1 母材与焊接接头微观组织分析34-36
• 4.1.1 TC4钛合金母材金相组织分析34
• 4.1.2 焊接接头焊缝金相组织分析34-36
• 4.2 母材与焊接接头疲劳断口形貌分析36-41
• 4.2.1 母材疲劳断口形貌分析36-38
• 4.2.2 焊接接头焊缝疲劳断口形貌分析38-39
• 4.2.3 焊接接头热影响区疲劳断口形貌分析39-41
• 4.3 本章小结41-42
• 第五章 TC4钛合金振动疲劳的有限元模拟42-51
• 5.1 TC4钛合金振动疲劳试样模态分析42-45
• 5.1.1 有限元模型的建立42
• 5.1.2 共振频率计算42-44
• 5.1.3 共振模态分析44-45
• 5.2 TC4钛合金振动疲劳试样裂纹尖端应力分析45-47
• 5.2.1 预制裂纹45
• 5.2.2 裂纹尖端应力强度因子模拟计算45-47
• 5.3 TC4钛合金振动疲劳试样剩余寿命计算47-49
• 5.3.1 TC4钛合金不同应力下的裂纹扩展寿命计算47-48
• 5.3.2 TC4钛合金不同初始裂纹下的疲劳剩余寿命计算48
• 5.3.3 TC4钛合金试样裂纹扩展疲劳寿命计算48-49
• 5.4 本章小结49-51
• 第六章 TC4钛合金叶片焊接前后裂纹扩展寿命预估51-58
• 6.1 叶片应力分析51-52
• 6.2 叶片裂纹扩展寿命计算52-54
• 6.2.1 叶片裂纹平面化处理52-53
• 6.2.2 叶片不同部位裂纹扩展曲线计算53-54
• 6.3 叶片焊接前后裂纹扩展寿命预估54-56
• 6.3.1 叶片损伤容限计算54-55
• 6.3.2 叶片焊接前后裂纹扩展寿命预估55-56
• 6.4 本章小结56-58
• 结论58-60
• 参考文献60-64
• 致谢64-65
• 作者简介65

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本文编号：741489