压气机叶片tc4钛合金超高周疲劳失效机制及强度-寿命预测方法

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1、压气机叶片TC4钛合金超高周疲劳失效机制及强度-寿命预测方法张震宇2015年6月中图分类号：O346.2UDC分类号：531.8压气机叶片TC4钛合金超高周疲劳失效机制及强度-寿命预测方法作者姓名张震宇学院名称机械与车辆学院指导教师李伟讲师答辩委员会主席马朝臣教授申请学位工程硕士学科专业车辆工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年6月Fatiguefailuremechanismandstrength-lifepredictionmethodofTC4titaniumalloyforcompressorbladeinveryhighcycleregimeCandidateNam

2、e:ZhenYuZhangSchoolorDepartment:SchoolofMechanicalEngineeringFacultyMentor:Lect.WeiLiChair,ThesisCommittee:Prof.ChaochenMaDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor:VehicleEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:June,2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文

3、中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要作为航空发动机的重要部件，压气机叶片在服役期间承受着高温、高频且超长周次的载荷作用，频频发生疲劳断裂事故。TC4钛合金因其低密度、高比强度、优良的耐热性和耐腐蚀性等突出优点，而成为航空发动机用压气机叶片制造的最重要材料之一。因此，从压气机叶片长期服役安全性的角度考虑，深入研究其结构材料TC4钛合金在服役工况

4、下的疲劳损伤行为及失效机制，对压气机叶片的可靠性设计及疲劳寿命预测具有重要的指导意义。本文首先开展了TC4钛合金材料在室温、五种应力比下的轴向加载超高周疲劳试验，并利用扫描电子显微镜对试样断口进行了观测和分析，明确了应力比对该材料超高周疲劳S-N特性和裂纹萌生及扩展机制的影响。结果表明：当R=-1时，TC4钛合金疲劳试样的失效模式全部为表面起裂，而当R≥-0.3时，S-N曲线均呈现表面起裂和内部起裂的双重S-N特性；随着应力比的增加，该材料疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth和断裂韧度Kc均呈增大趋势；该材料在室温下表现出三种疲劳失效模式，分别为表面滑移失效、表面解理失效和内部解理失效，其发生概率

5、与应力比之间有一定关系。其次，研究了TC4钛合金在150℃和200℃两种温度下的轴向加载超高周疲劳试验，并对试样断口进行了观测和分析，明确高温对该材料超高周疲劳S-N特性和裂纹萌生及扩展机制的影响。结果表明：在150℃和200℃两种温度下，该材料呈现出四种疲劳失效模式，即表面滑移失效、表面解理失效、内部滑移失效和内部解理失效；随着温度的升高，TC4钛合金材料的疲劳强度逐渐降低，但随着应力比的增大，这种趋势越来越不明显；该材料表面缺陷的应力强度因子范围ΔK与温度无关，疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth与断裂韧度Kc均随着温度的升高而降低。第三，根据对TC4钛合金材料室温断裂试样断口的微观形貌观测，

6、并虑及内部起裂和表面起裂两种疲劳失效模式的差异，分别对其疲劳裂纹萌生及扩展两个阶段的疲劳寿命进行了分析，建立了一种综合这两个阶段的疲劳裂纹萌生-扩展总寿命计算模型。研究表明：在高应力区，疲劳裂纹的扩展过程所经历的应力循环次数占疲劳总寿命的绝大部分，而在低应力区，疲劳裂纹的萌生过程所经历I北京理工大学硕士学位论文的应力循环次数占疲劳总寿命的绝大部分；根据该萌生-扩展总寿命计算模型预测的疲劳寿命与试验寿命的偏差在3倍范围以内，其合理性被证明。最后，针对TC4钛合金材料超高周疲劳试验所表现出的双重S-N特性，对一种仅适用于具有单一S-N特性材料疲劳强度预测的能量法模型进行了修正，修正后的模型对

7、TC4钛合金材料的疲劳强度和S-N曲线的预测结果均比较符合疲劳试验值。关键词：TC4钛合金；超高周疲劳；应力比；高温；失效机理；寿命预测II北京理工大学硕士学位论文AbstractAsanimportantcomponentofaircraftengine,compressorbladesendurehightemperature,high-frequencyandultra-longtermcyclicloadinginservi