合金材料超高周疲劳裂纹萌生区微结构特征研究

论文摘要

超高周疲劳(VHCF)是指材料在承受远低于屈服强度的循环应力下,仍在107周次以上发生疲劳破坏的现象。在VHCF阶段,裂纹偏向于从材料的内部萌生,并在裂纹源周边形成独特的细晶区(FGA)或粗糙区(RA)。由于FGA和RA是裂纹起源的区域,因而它们被视为裂纹萌生区。已有的研究表明裂纹萌生阶段占据了疲劳总寿命的95%以上。因此,破解裂纹萌生区的形成机理是研究超高周疲劳的关键所在。本文主要通过分析材料微结构的细节特征来探究裂纹萌生区的形成过程。为此,采用聚焦离子束技术在两种合金材料(高强钢和钛合金)超高周疲劳失效试样裂纹萌生区内制备了截面样品,并利用透射电镜结合选区电子衍射的方法仔细观测了样品表层附近的微观组织形貌和结构特征。实验结果进一步证实了负应力比下高强钢FGA区和钛合金RA区的表面是一层纳米晶层,然而正应力比下裂纹萌生区表面仍为原始的粗晶。这表明裂纹尖端的塑性变形仅仅能够导致一定程度的微结构变形,而不足以形成纳米晶粒。为了揭示萌生区内纳米晶粒形成的原因,定义了一个归一化参数来定量描述负应力比下超高周疲劳失效试样FGA区和RA区表层附近晶粒尺寸的分布。结果表明,对于高强钢样品,晶粒尺寸在裂纹扩展路径上不断增大。同时,利用有限元法分析了不同应力比加载工况下裂纹面间接触应力的分布情况,结果展示了裂纹面间接触应力在裂纹路径上不断减小的趋势,这与前述的实验结果相对应。对于双态组织的钛合金样品,纳米晶层的厚度较大,晶粒尺寸在深度方向上不断增大,而在裂纹生长路径上没有明显的变化趋势,这与双态组织钛合金多个等轴α晶粒解理致使裂纹起源的破坏模式有关。对于等轴钛合金样品,由于原始微结构中等轴α晶粒的尺寸较小,因此纳米晶层的厚度较小且分布不连续。实验和数值计算的结果表明,裂纹萌生区纳米晶粒的形成与裂纹面间的接触作用密切相关,即:更高的压应力以及更长的加载周次将促进微结构细化和纳米晶粒的形成。因此,本文的研究结果证实了“大数往复挤压”过程主导了高强钢和钛合金疲劳裂纹萌生区的形成。

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摘要

Abstract

缩略词说明表

第1章绪论

1.1 超高周疲劳的研究背景

1.2 合金材料的超高周疲劳特征

1.2.1 S-N曲线特征

1.2.2 断口特征

1.2.3 萌生区内的裂纹扩展特征

1.3 裂纹萌生的机理研究

1.3.1 萌生区的形成机制

1.3.2 萌生区的微结构特征

1.4 研究内容及意义

1.4.1 研究内容

1.4.2 研究意义

第2章实验材料与实验方法

2.1 引言

2.2 实验材料及热处理

2.2.1 实验材料

2.2.2 热处理工艺

2.3 微结构与基本力学性能

2.3.1 显微组织

2.3.2 基本力学性能

2.4 实验方法

2.4.1 疲劳测试方法

2.4.2 微结构表征方法

2.5 本章小结

第3章疲劳裂纹萌生区的微结构特征

3.1 引言

3.2 样品概况

3.3 高强钢裂纹萌生区的微结构特征

3.3.1 负应力比情形

3.3.2 正应力比情形

3.4 钛合金裂纹萌生区的微结构特征

3.4.1 负应力比情形

3.4.2 正应力比情形

3.5 晶粒尺寸与纳米晶粒层厚度的分布

3.6 晶粒尺寸分布的定量表征

3.7 裂纹萌生的NCP机制

3.8 本章小结

第4章塑性诱导裂纹闭合的仿真分析

4.1 引言

4.2 裂纹闭合效应—裂纹扩展的阻力

4.3 有限元模型的建立

4.3.1 模型概述

4.3.2 非线性关系

4.4 硬化模型的参数标定

4.5 裂纹闭合水平与接触应力分布

4.5.1 不同应力比下的裂纹闭合水平

4.5.2 裂纹面间接触应力的分布

4.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间的科研成果

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 常玉坤

导师: 郑亮

关键词: 高强钢,钛合金,超高周疲劳,裂纹萌生区,微结构细化,裂纹闭合

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 力学,金属学及金属工艺

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: TG115.57;O346.1

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.006191

总页数: 80

文件大小: 9009k

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