《金屬材料超高周/低周複合疲勞損傷機理研究》是依託北京航空航天大學，由趙子華擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：金屬材料超高周/低周複合疲勞損傷機理研究
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：趙子華
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
超高周疲勞是很多在役航空航天關鍵零部件面臨的服役環境，而在設計時並未考慮超高周疲勞的問題。本項目以航天用高強馬氏體不鏽鋼為研究對象，擬從低周疲勞預損傷對超高周疲勞影響規律以及超高周疲勞預損傷對低周疲勞影響規律的試驗研究入手，對低周疲勞顯微裂紋在超高周載荷下的擴展行為、含低周疲勞預損傷（無顯微裂紋）試樣在超高周載荷下的裂紋萌生機制、含超高周疲勞預損傷試樣在低周疲勞載荷下的裂紋萌生機制進行深入的研究，重點探討交變應力水平及載荷歷程與材料疲勞微觀損傷特徵之間的關係，揭示超高周/低周複合疲勞裂紋萌生的控制參量，為變幅疲勞壽命預測提供理論基礎，並為承受類似疲勞載荷歷程的零部件的定壽和可靠性分析提供科學依據。
結題摘要
超高周疲勞是很多在役航空航天關鍵零部件面臨的服役環境，而在設計時並未考慮超高周疲勞的問題。航空結構件在飛行中承受高頻低幅振動載荷的同時，會承受一個由於起飛和降落產生的低頻高幅交變載荷。本項目圍繞材料微觀結構、表面狀態與載荷的互動作用三個因素，系統研究了金屬材料超高周疲勞行為，為我國航空關鍵部件超長壽命設計提供理論依據。採用超聲疲勞試驗的方法，研究了三種典型航空結構材料3Cr13高強度鋼、2A12鋁合金與TC21鈦合金的超高周疲勞行為。典型金屬材料的超高周疲勞S-N曲線特徵與金屬材料微觀結構有關。含有內部夾雜3Cr13高強度鋼超高周疲勞S-N曲線為連續下降特徵，而對於沒有內部缺陷的2A12鋁合金與TC21鈦合金，其超高周疲勞S-N曲線呈現雙台階特徵，存在表面萌生與內部萌生的轉變平台。三種金屬材料超高周疲勞裂紋源區斷口均為細晶粒區特徵，細晶粒區的形成可能與金屬材料較高的層錯能有關。細晶粒區的應力強度因子KFGA在一定範圍內為恆值，與疲勞壽命沒有直接的關係，可以作為疲勞裂紋擴展門檻ΔKth。當疲勞裂紋強度因子低於疲勞裂紋擴展門檻值時，疲勞裂紋以孔洞連線的方式進行擴展，形成細晶粒特徵。以TC21鈦合金為研究對象，採用低周疲勞與超聲疲勞試驗方法，研究了金屬材料超高周複合疲勞行為。結果表明，低周疲勞預損傷顯著降低了TC21鈦合金的超高周疲勞性能。套用小裂紋理論分析了低周疲勞預裂紋對TC21鈦合金疲勞極限的影響，並建立了含低周疲勞預裂紋的TC21鈦合金Kitagawa圖。基於Lemaitre損傷力學，建立了金屬材料的低周疲勞、超高周疲勞及超高周複合低周疲勞壽命預測模型。超高周疲勞壽命預測模型研究表明，金屬材料超高周疲勞S-N曲線特徵與材料內部應力集中相關。疲勞壽命預測模型的預測值與低周疲勞預損傷、應力譜塊疲勞試驗結果比較吻合。基於疲勞損傷的壽命預測模型為金屬材料超高周複合疲勞壽命的預測提供了一個新的方法。
