基于双参数寿命模型的抗疲劳制造结果参量分析方法
发布时间：2019-07-16 09:52
【摘要】：为评估抗疲劳主要参量对S-N曲线的作用规律,采用双参数疲劳寿命模型作为分析基础,引入材料本征S-N曲线概念,将制造参量转化为制造结果参量系数,在从理论模型角度系统分析各个参量对寿命曲线的作用规律的基础上,进一步对实验获得的高温合金GH4169在成型机加工、表面完整性机加工和表面高能强化三种制造工艺下的疲劳S-N数据进行疲劳抗力系数M_f和理论疲劳极限S_c对应力集中系数K_t的敏感性进行分析。结果表明:高能强化可显著提高光滑试样和缺口试样的疲劳性能;对于光滑构件或低应力集中系数的构件,高能强化对疲劳性能的提高主要表现在提高了疲劳抗力系数;而对于高应力集中系数的构件,高能强化对疲劳性能的提高主要表现在提高了理论疲劳极限;此外,利用结果参量系数分析S-N曲线的方法,对于理解抗疲劳制造机理具有重要参考价值。
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图片说明： ac的数值发生改变。现逐一考虑宏观应力集中Kt和三个制造结果参量对疲劳产生的驱动力和阻力的影响，将这四个因素引入两参数疲劳S-N曲线，建立新的模型。(1)宏观应力集中对疲劳寿命的影响宏观应力集中使构件缺口根部形成应力梯度，放大了构件承受的名义应力，因此，其主要作用表现为使疲劳驱动力产生明显增加。在弹性范围内，，构件缺口表面所受的真实应力为Sa=KtSn，将其代入式(3)，可得式(4)。Nf=Cf［KtSn－Sac］－2(4)式中:Sn为缺口构件所承受的名义疲劳应力幅。图1(a)给出了S-N曲线随着应力集中系数Kt的变化规律。Kt越大，疲劳性能急剧降低。(2)表面形貌对疲劳寿命的影响不同的制造工艺产生不同的表面形貌，包括表面纹理，粗糙度等。从微观上看，表面轮廓高低起伏，可看作是微区的众多缺口，这些微观缺口会在表面造成应力集中，加剧疲劳开裂的产生。表面应力集中增加疲劳产生的驱动力，用系数Ks表示表面应力集中产生的影响。Ks是大于1的，当Ks=1表示无表面应力集中，Ks越大表示表面应力集中越大。构件缺口根部疲劳危险微区承受的真实应力为Sa=Ks(KtSn)，代入式(3)可得式(5)。图1应力集中系数和制造结果参量对S-N曲线形状的影响(a)应力集中系数Kt;(b)表面应力集中影响系数Ks;(c)残余应力Sσ;(d)表层组织结构影响系数α和βFig．1EffectofstressconcentrationcoefficientandinfluencingfactorscausedbymanufactureonS-Ncurves(a)stressconcentrationcoefficientKt;(b)surfacestressconcentrationfactorsKs;(c)residualstressSσ;(d)microstructurefactorsαandβofsurfacelayer70
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图片说明： 航空材料学报第37卷图2GH4169高温合金在650℃下的S-N曲线Fig．2S-NcurvesofGH4169superalloyat650℃(a)Kt=1;(b)Kt=3表2式(9)对GH4169高温合金在650℃下S-N数据的拟合结果Table2FittingresultsofexperimentaldataofGH4169superallogyfittedbyequation(9)at650℃KtTraditionalmachiningprocessMachiningprocesswithsurfaceintegritySurfacestrengtheningMfScMfScMfSc13．81×1096463．92×1096131．78×101066722．98×1094162．27×109445－－32．87×1082673．46×1082656．41×10859741．48×1082302．58×1082642．77×108553素α。在高应力集中(Kt＞3)区域Mf对Kt的敏感性下降，可能是由于在高应力集中下组织结构的强化效果α的作用效果更明显，而表面应力集中Ks的作用效果弱化。成型加工和表面完整性加工的试样，并未表现出明显的差异。成型加工和表面完整性加工都是磨削加工成型，但是具体工艺参数不同，本研究选取的工艺参数并未引起疲劳抗力系数的显著变化。表面高能强化的曲线高于机加工的状态，说明表面强化比机加工提升疲劳抗力系数;另一方面，表面强化曲线的斜率大于机械加工，说明表面强化试样的Mf的衰减对Kt更敏感。将机加工试样和表面高能强化试样进行比较发现，在Kt=1时高能强化的Mf值明显高于机加工试样;随着Kt的增加，两者的差异越来越小;当Kt≥3时这种差异变得非常校这说明，随着Kt的增加，制造工艺的不同对疲劳抗力系数Mf影响的差异性越来越校换言之，当应力集中系数较小时，构件采图3不同表面状态下疲劳抗力系数Mf和理论疲劳极限Sc随Kt的变化规律(a)Mf随K
【作者单位】： 西北工业大学材料学院;中国航发北京航空材料研究院;
【基金】：973项目资助
【分类号】：TG132.3
本文编号：2515004
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图片说明： ac的数值发生改变。现逐一考虑宏观应力集中Kt和三个制造结果参量对疲劳产生的驱动力和阻力的影响，将这四个因素引入两参数疲劳S-N曲线，建立新的模型。(1)宏观应力集中对疲劳寿命的影响宏观应力集中使构件缺口根部形成应力梯度，放大了构件承受的名义应力，因此，其主要作用表现为使疲劳驱动力产生明显增加。在弹性范围内，，构件缺口表面所受的真实应力为Sa=KtSn，将其代入式(3)，可得式(4)。Nf=Cf［KtSn－Sac］－2(4)式中:Sn为缺口构件所承受的名义疲劳应力幅。图1(a)给出了S-N曲线随着应力集中系数Kt的变化规律。Kt越大，疲劳性能急剧降低。(2)表面形貌对疲劳寿命的影响不同的制造工艺产生不同的表面形貌，包括表面纹理，粗糙度等。从微观上看，表面轮廓高低起伏，可看作是微区的众多缺口，这些微观缺口会在表面造成应力集中，加剧疲劳开裂的产生。表面应力集中增加疲劳产生的驱动力，用系数Ks表示表面应力集中产生的影响。Ks是大于1的，当Ks=1表示无表面应力集中，Ks越大表示表面应力集中越大。构件缺口根部疲劳危险微区承受的真实应力为Sa=Ks(KtSn)，代入式(3)可得式(5)。图1应力集中系数和制造结果参量对S-N曲线形状的影响(a)应力集中系数Kt;(b)表面应力集中影响系数Ks;(c)残余应力Sσ;(d)表层组织结构影响系数α和βFig．1EffectofstressconcentrationcoefficientandinfluencingfactorscausedbymanufactureonS-Ncurves(a)stressconcentrationcoefficientKt;(b)surfacestressconcentrationfactorsKs;(c)residualstressSσ;(d)microstructurefactorsαandβofsurfacelayer70
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图片说明： 航空材料学报第37卷图2GH4169高温合金在650℃下的S-N曲线Fig．2S-NcurvesofGH4169superalloyat650℃(a)Kt=1;(b)Kt=3表2式(9)对GH4169高温合金在650℃下S-N数据的拟合结果Table2FittingresultsofexperimentaldataofGH4169superallogyfittedbyequation(9)at650℃KtTraditionalmachiningprocessMachiningprocesswithsurfaceintegritySurfacestrengtheningMfScMfScMfSc13．81×1096463．92×1096131．78×101066722．98×1094162．27×109445－－32．87×1082673．46×1082656．41×10859741．48×1082302．58×1082642．77×108553素α。在高应力集中(Kt＞3)区域Mf对Kt的敏感性下降，可能是由于在高应力集中下组织结构的强化效果α的作用效果更明显，而表面应力集中Ks的作用效果弱化。成型加工和表面完整性加工的试样，并未表现出明显的差异。成型加工和表面完整性加工都是磨削加工成型，但是具体工艺参数不同，本研究选取的工艺参数并未引起疲劳抗力系数的显著变化。表面高能强化的曲线高于机加工的状态，说明表面强化比机加工提升疲劳抗力系数;另一方面，表面强化曲线的斜率大于机械加工，说明表面强化试样的Mf的衰减对Kt更敏感。将机加工试样和表面高能强化试样进行比较发现，在Kt=1时高能强化的Mf值明显高于机加工试样;随着Kt的增加，两者的差异越来越小;当Kt≥3时这种差异变得非常校这说明，随着Kt的增加，制造工艺的不同对疲劳抗力系数Mf影响的差异性越来越校换言之，当应力集中系数较小时，构件采图3不同表面状态下疲劳抗力系数Mf和理论疲劳极限Sc随Kt的变化规律(a)Mf随K
【作者单位】： 西北工业大学材料学院;中国航发北京航空材料研究院;
【基金】：973项目资助
【分类号】：TG132.3
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