（固体力学专业论文）TA6V钛合金疲劳小裂纹扩展行为研究.pdf

t a 6 v 钛合金疲劳小裂纹扩展行为研究摘要本文首先根据航空标准h b 7 7 0 5 2 0 0 l 金属材料疲劳小裂纹扩展速率试验方法，采用复型法对t a 6 v 钛合金s e n t 试样进行疲劳小裂纹试验，根据试验结果分析t a 6 v 钛合金在应力比斤= 一l 和晟= 0 时不同应力水平下的疲劳小裂纹扩展规律。然后对t a 6 v 钛合金s e n t 试样的疲劳断口进行断口分析，通过扫描电镜s e m 依次观察了疲劳源区、扩展区和瞬断区形貌，并分析t a 6 v 钛合金疲劳断口形貌形成的原因。最后运用a n s y s 有限元软件对t a 6 v 钛合金s e n t 试样在g = - i 时进行疲劳分析，获得了s e n t 试样缺口根部的s y 应力分布，并采用局部应力应变法结合材料循环的s - n 曲线、运用m i l i e r 累积损伤理论对构件的疲劳寿命进行估算，将a n s y s 疲劳计算结果与试验结果进行比对，分析引起误差的影响因素，为其结构疲劳安全设计及其可靠性提供了科学依据。关键词：1 a 6 v 钛舍金，疲劳小裂纹，断口分析，s e m ，a n s y s ，有限元，局部应力应变法，疲劳寿命s t u d yo nf a t i g u es m a l lc r a c kp r o p a g a t i o nb e h a v i o ri nt a 6 vt i t a n i u ma l l o ya b s t r a c tf h - s t y , i nt h ep a p e r , a c c o r d r i gt o - r i a l 疏a n d a r dh b 7 7 0 5 - 2 0 0 1 “s t a n d a r dt e s tm e t h o df o rf a t i g u es m a l lc r a c kg r o w t hr a t e so f m e t a l l i cm a t e r i a l s ”，t h et e s to f f a t i g u es m a l lc r a c k sg r o w t hh a sb e e nm a d ei nt h es i 咄- e d g e n o t c ht e n s i o n ( s e n t )s p e c i m e no f t a 6 vt i t a n i u ma i l o yb ya p p l y i n gt h er e p l i c am e l o d s b yt h et e s tr e s u l t s ，t h ef a t i g u es m a l lc r a c k sg r o w t hb e h a v i o ri nt a 6 vt i t a n i u ma l l o yh a sb e e ni n v e s t i g a t e da n da n a l y z e da ts t x e s s - r a t i n sr = - i r = 0a n du n d e rd i f f e r e n ts t r e s s - l e v e l s e c o n d l y , t h ef a t i g u e 丘w 岫o ft a 6 vt i t a n i u ma l l o ys e n ts p e c i m e ni s她a l y z c d t h ef a t i g u ef r a c t u r ef r a c t o g r a p h yo f c r a c k so r i g i n sz o l l ea n dc r a c k sp r o c e s sz o r ma n dq u i c k l yf a i l u r ez o i l ei nt h ec o l l r s eo f c r a c kp r o p a g a t i o nh a v e b e e no b s e r v e db yv i r t u eo f t h es c a n n i n g e l e c t r o n - m i c r o s c o p e ( s e m ) ，a n dt h es h a p i n gl _ e a s o l l so f t h ef a t i g u ef r a c t u r e 血t o 哥a p h yi sa n a l y z e d f i n a l l y , t h ef a t i g u eo f t a 6 vt i t a n i u ma l l o ys e n ts p e c i m e ni sa n a l y z e da ts t r e s sr a t i o r = - 1 ，a n dt h eb h e s sd i s t r i b u t i o n so ft h eb o t t o mo ft h eh e r m e y c l en o t c hi nt a 6 vt i t a n i u ma l l o ya r cc a l c u l a t e db yt h ef i n i t ee l e m e n t sa n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s t h ef a t i g u ef i f eo ft a 6 vt i 协n i u ma l l o ys e n ts p e c i m e ni se a l c 山a t e db yt h el o c a ls t r e s s - s t r a i na p p r o c ht h a ta s s o c i a t e st h es - nc u r v ea n dt h em i n e r sc u m u l a t i v ef a t i g u ed a m a g en i l ei nt h es o f t w a r ea n s y s t h ef a t i g u el i f ec a l c d a t e db ys o f i w a x ea n s y si se n m p a r e dw i 血t h a tb yt e s t , a n dt h er e a s o n st h a tc s et h ed i f f e r e n c e i r ea n a l y z e di no r d e rt oa f f o r dt h es c i e n t i f i ca c c o r d a n c eo f t h es t r u c t u r a ls a f e t yd e s i g ni nt h ef a t i g u e k e yw o r d s ：t a 6 vt i t a n i u ma l l o y , f a t i g u es m a l lc r a c k , f r a c t u r ea n a l y s i s ,s c a n n i n g - e l e c 仃o n - m i c m s c o p e ，a n s y s ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，l o c a ls t r e w - s t r a i na p p r o c h , f a t i g u el i f e贵州大学硕士学位论文第一章绪论1 1前言1 1 1 疲劳小裂纹研究的重要性大型的金属构件广泛地应用到各个行业中，但随之而来的材料失效现象却给我们的生产和生活带来了巨大的损失和灾难。尤其是断裂失效和金属疲劳更有不易预测的突发性，往往让人措手不及，有时一条肉眼难以发现的裂纹就会酿成大祸。国际上每年因结构疲劳的原因，大量构件在其有效寿命期内报废，由于疲劳破坏而造成的恶性事故也时有发生。据统计，早期欧洲每年由于断裂造成的损失高达8 0 0 亿欧元，而早期美国每年因断裂造成的损失达1 1 9 0 亿美元，其中9 5 是由于疲劳引起的断裂。而通过应用疲劳耐久性分析技术，其中的5 0 是可以避免的，因此要将疲劳耐久性定为构件质量控制的重要指标。在我国，由于疲劳耐久性和可靠性不过关造成的问题也是普遍存在，故对材料和构件进行疲劳分析具有重要意义。线弹性断裂力学方法( l e f m ) 已被广泛她用来分析长裂纹的疲劳扩展规律，但若把相同的方法用于疲劳耐久性分析，必须在分析中假设非常小的初始裂纹，因此小裂纹扩展阶段的研究对疲劳耐久性分析具有重要的意义疲劳小裂纹具有不能被传统理论解释的独特行为，实验表明州，小裂纹阶段占据整个疲劳寿命的比例可高达7 0 因此，关于疲劳小裂纹萌生和扩展的研究受到广泛的重视实验结果表明仇“，板中和缺口处的疲劳小裂纹扩展行为与同种材料的长裂纹扩展行为明显不同，基于l e f m 的小裂纹扩展速率要比根据长裂纹数据预测的速率要高得多：当小裂纹应力强度因子七低于长裂纹门槛值时，小裂纹仍然能够扩展；而在长裂纹门槛值k 以上的区域，在相同的越下小裂纹扩展比长裂纹快。由于受交变载荷作用的含初始缺陷的材料和构件的寿命大部分消耗在小裂纹扩展阶段，若采用基于l e f m 的长裂纹扩展试验数据对小裂纹阶段的寿命作预测必然会导致偏于危险的结果，因此对工程结构，尤其是对安全性和可靠性至关贵州大学硕士学位论文重要的航空器来说，要想有效地预测结构的总寿命就必须研究小裂纹阶段的扩展行为，从而试图寻找一种l e f m 既能成功应用于长裂纹疲劳扩展规律的分析，也能应用于疲劳耐久性分析的疲劳全寿命预测模型的有效途径。1 1 2 疲劳小裂纹研究现状自从p e r s o n1 9 7 5 年在研究铝合金裂纹扩展行为时首次发现疲劳小裂纹效应以来，疲劳小裂纹的研究逐渐引起了人们的重视。众多研究者啪。4 “4 “删把注意气力逐渐由对长裂纹( 4 2 m m ) 扩展行为的研究转移到对小裂纹( 1 0 a n l m m )扩展行为的研究，现在小裂纹扩展行为的研究已成为当今国际疲劳断裂领域的研究热点美国冶金学会( t h em e t a l l u r g i c a ls o c i e t y ) 分别于1 9 8 0 年1 月和1 9 8 6 年1 月在美国组织召开了两次关于疲劳小裂纹的国际学术会议。1 9 8 5 年9 月欧洲断裂研究组织( t h ee u r o p e a ng r o u po nf r a c t u r e ) 在英国也组织了关于疲劳小裂纹的国际学术会议从1 9 8 7 年起三年一度的国际疲劳学术会议对疲劳小裂纹问题也专门进行讨论。1 9 9 4 年a s ，r m 提出了“测定疲劳小裂纹扩展速率指南”。在我国，1 9 8 7 年1 9 9 2 年中国航空研究院( c a e ) 和美国国家航空航天局( n a s a ) 进行了疲劳断裂领域的科技合作，编著了高强度铝合金的小裂纹效应专集从8 0 年代中期以来北京航空材料研究院进行了多种航空材料的疲劳小裂纹扩展行为研究，于2 0 0 2 年编制了航空标准h b 7 7 0 5 2 0 0 1 金属材料疲劳小裂纹扩展速率试验方法。廷“1 2 钛合金的应用对于航空与航天用途来说，大概没有其它合金系统比钛合金更为适宜了钛合金是一种有广泛应用前途的新型结构材料，具有优异的综合力学性能，其主要特点为n 7 1 ：1 高弹性极限；2 高比强度( 强度密度) ，钛合金的密度只有各种钢或超合金的一半左右，其强度密度比极为优越；3 热强度高，钛合金耐高温，有较宽的工作温度范围( 可在5 5 0 0 c 以下工作，2贵州大学硕士学位论文并可望进一步将工作温度提高n s o o o c ) ；4 低温下有较好的韧性，其低温断裂韧性优于铝合金和一些结构钢：5 抗腐蚀性好。钛在常温下极易形成稳定致密的氧化膜和氮化物膜，从而使钛及钛合金具有优良的抗蚀性。对于航空航天工业，钛合金是一种理想的结构材料，目前被广泛应用于航空发动机压气机叶片、火箭发动机壳体，人造卫星外壳、载人宇宙飞船船舱等关键部位，就航空与航天用钛合金而言。民用飞机占其总重量的7 左右，军用飞机所占比例高达2 0 2 5 。钛合金无与伦比的机械性能，如优异的比强度和抗腐蚀能力与良好的疲劳行为和断裂韧性的结合，是人们将它们作为飞机机身( 外壳) 和航空飞机零部件的主要原因。本文研究的t a 6 v 钛合金是典型的口+ 型合金，由于其比重小、强度高而被广泛应用于航空发动机压气机叶片等关键部位美国、德国、日本等国家开展的钛合金疲劳裂纹扩展的试验研究表明嘲，在对发动机压气机叶片意外失效的分析中，疲劳作用下钛合金小裂纹的“反常”扩展行为导致寿命预测偏高被认为是事故的主要原因之一。所以深入研究钛合金中疲劳小裂纹扩展行为，对我国的航空航天工业和国民经济的发展具有重要意义。1 3 断口分析的意义首先断口分析是研究构件断裂原因的重要手段，在研究金属的断裂工作中是不可缺少的部分，是我们找出联系断裂的宏观过程与微观机制的途径。金属断裂后留下来最直接的信息都在断口上，通过观察构件的断口形貌，可以了解断口的断裂类型、裂纹的萌生和扩展的情况，如裂纹源位置和数量、裂纹的扩展方向、裂纹在各阶段扩展速率的快慢等，从而分析引起断裂的应力特征( 如应力状态及分布) 、环境特征( 如温度和环境介质) 、材料缺陷和构件的几何特征等因素对断裂的影响与作用，为材料的安全应用提供设计依据。在失效分析中断口的作用也很重要，利用断口可以确定断裂源，从而为问题的解决提供了重要线索并提出预防措施。断口分析也是研究新材料的重要手段。由断口分析所提供的断裂性质、裂纹走向与扩展特征、材料的组织结构等信息，可以为进一步改进材料的质量及材料3贵州大学硕士学位论文的工艺过程提供方向。本文借助k y k y 2 8 0 0 b 型扫描电镜s e m 对t a 6 v 钛合金的疲劳断口形貌进行观察，分析t a 6 v 钛合金疲劳断口形貌形成的原因。1 4a n s y s 有限元软件在疲劳分析中的应用a n s y s 软件是由美国a n s y s 公司开发的大型通用有限元软件，它广泛应用于航空航天、机械制造、能源、土木工程等领域。它拥有丰富和完善的单元库、材料模型库和求解器，能进行结构线性静力分析、动力学分析、非线性分析、复合材料结构分析、疲劳分析、断裂分析、热分析、电磁分析、计算流体力学分析等。a n s y s 具备完善的前后处理和强大的数据接口，能与大多数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，因而是计算机辅助工程和工程数值和模拟最有效的软件之一运用a n s y s 有限元软件对构件进行疲劳分析，能够估算构件的疲劳寿命，从而及时采取控制措施，减少和避免构件在使用过程中因疲劳引起的断裂带来的经济损失和恶性事故，因此运用a n s y s 软件对构件进行疲劳分析具有重要意义，但目前运用a n s y s 进行疲劳分析的实例较少本文借助a n s y s 有限元软件对t a 6 v 钛合金s e n t 试样在应力比r = 一1 时进行疲劳分析，确定s e n t 试样缺口处的应力状态分布，估算t a 6 v 钛合金的疲劳寿命，为t a 6 v 钛合金结构疲劳安全设计及其可靠性提供了科学依据。1 5 本文研究概述t a 6 v 是法国生产的钛合金，与我国的t c a 钛合金属同一类型材料，是所有钛合金中使用最广泛的合金，特别是在航空航天领域中使用最广泛。虽然t a 6 v和t c 4 钛合金的化学成分和常规力学性能相近【6 l ，但两国在钛合金的生产工艺和质量控制标准等方面存在着差异，而目前对t a 6 v 钛合金的断裂疲劳性能在国内少有报道，因此研究t a 6 v 钛合金疲劳小裂纹的扩展行为具有重要意义，为其结构疲劳安全设计及可靠性分析提供科学依据，为今后t a 6 v 钛合金在我国的使用提供参考。本课题对从不同的角度对t a 6 v 钛合金的疲劳性能进行研究：4贵州大学硕士学位论文一、根据航空标准h b 7 7 0 5 - 2 0 0 1 金属材料疲劳小裂纹扩展速率试验方法，采用复型法对t a 6 v 钛合金s e n t 试样进行疲劳小裂纹试验，分析t a 6 v 钛合金在应力比r = 一1 和r = 0 时不同应力水平下的疲劳小裂纹扩展规律；观察小裂纹在显微组织中的扩展路径和扩展方式，研究小裂纹顶端和晶界的交互作用，从而对疲劳小裂纹扩展的奇异性进行解释；二、对t a 6 v 钛合金s e n t 试样进行疲劳断口形貌分析。通过扫描电镜s e m依次观察疲劳源区、扩展区和瞬断区形貌，分析t a 6 v 钛合金疲劳断口形貌形成的原因，为今后t a 6 v 钛合金在我国的使用提供参考；三、运用a n s y s 有限元软件对t a 6 v 钛合金s e n t 试样在应力比胄= 一l 时进行疲劳分析。采用局部应力应变法结合材料循环的s - n 曲线，通过弹塑性有限元法将构件上的名义应力谱转换成危险部位的局部应力应变谱，从而根据危险部位的局部应力应变历程采用m i n e r 累积损伤理论对构件的疲劳寿命进行估算，并与试验结果进行比对，分析引起a n s y s 疲劳计算结果与疲劳试验结果之间误差的影响因素，为其结构疲劳安全设计及其可靠性提供了科学依据。贵州大学硕士学位论文第二章t a 6 v 钛合金疲劳小裂纹试验2 1t a 6 v 钛合金试样材料及制各2 1 1r i a 6 v 钛合金试样材料疲劳小裂纹试验所用的材料为法国生产的t a 6 v 钛合金。材料的化学成分与常规力学性能如表2 1 和表2 2 吲所示：表2 1t a 6 v 钛合金的化学成分a lvf ecnho其它t i5 5 m 击73 5 0 - - 4 50 3o 0 8o 0 5o o l o 0 1 50 1 参加2o 2余量5o表2 2t a 6 v 钛合金的常规力学性能抗拉强度屈服强度断后伸长率断面收缩率断裂韧性弹性模量泊松比吼m p oc r o 。m p a占| m p n 矗e f g p n9 0 08 3 01 02 55 01 1 3 8o 3 4 2法国产t a 6 v 钛合金与国产t c 4 ( 即面6 4 v ) 钛合金属同一类型材料，两者的化学成分和常规力学性能相近哳3 ( 见表2 1 2 4 ) ，是所有钛合金中使用最广泛的材料之一，特别是在航空航天领域中大量使用，因此研究t a 6 v 钛合金疲劳小裂纹的扩展行为具有重要意义。表2 3t o 钛合金的化学成分a ivf es icnh0其它啊5 5 0 一石83 5 0 - - 4 5 00 3o 1 5o 1o 0 50 0 1 50 2o 3余量6贵州大学硕士学位论文表2 4t c 4 钛合金的常规力学性能抗拉强度屈服强度断后伸长率断面收缩率断裂韧性m p c r o j m p a艿抄k i c m p a 4 - m8 9 58 2 51 02 55 02 1 2t a 6 v 钛合金的金相组织及晶界形貌t a 6 v 钛合金金相组织的腐蚀剂配方为：氢氟酸：硝酸：水= 2 ；4 ：9 4 ( m 1 ) 。将t a 6 v 钛合金试样反复手工刨光后，在转速为1 5 0 0 r e v m i n 的呢子机上刨光，浸入腐蚀液中l 一2 m i n 后，用流动水冲洗，干燥后在金相显微镜下观察2 0 0 1 0 0 0倍的金相组织形貌，如图2 1 ( a ) 和( b ) 所示t a 6 v 钛合金金相组织晶界的腐蚀剂配方为：4 0 的氢氧化钾：3 0 的过氧化氢：水= 2 0 ：1 0 ：4 0 ( m 1 ) ，将t a 6 v 钛合金试样刨光后。浸入7 0 s o o c 的腐蚀剂中3 0 - 6 0 s ，冲洗并干燥后在金相显微镜下观察2 0 0 1 0 0 0 倍金相组织的晶界形貌，如图2 - 2 所示。( a ) 2 0 0 ，贵州大学硕士学位论文( b ) 5 0 0 x图2 - 1t a 6 v 钛合金的金相组织由图2 - 1 可知，t a 6 v 钛合金的金相组织是典型的口+ 型钛合金，即两相钛合金，在平衡状态下金相组织以口相为主，相含量通常为9 9 缸3 0 。图2 - 2t a 6 v 钛合金金相组织的晶界形貌( 5 0 0 x )2 1 3 疲劳小裂纹试样的制备按航标h b 7 7 0 5 - 2 0 0 1 金属材料疲劳小裂纹扩展速率试验方法【3 】和国标贵州大学硕士学位论文o b t 6 3 9 8 - 2 0 0 0 - 2 r a m 以后不属于小裂纹阶段，在试验过程中有部分试样没有复型采集相应的数据点，即图中所示的裂纹最大循环次数不一定是试样的疲劳寿命，每根试样的疲劳寿命 矿在图中标示。l i i l c i2 7 、2 - 8 和图2 - l o 也一1 6 可知，t a 6 v 钛合金在最= 一1 时裂纹萌生与扩腱。般只有以下特点：( 1 ) 在五= 一1 时，主裂纹的萌生期一般在8 0 0 0 - 2 2 0 0 0 次之间，并且随着应力水平的增大，裂纹萌生期明显缩短，并且疲劳寿命也同时缩短。如图2 1 6 可知。当s = 1 8 0 m p a 时，裂纹在1 7 0 0 0 次以后萌生；当s = 2 0 0 m p a 时，裂纹在1 0 0 0 0次附近萌生，；当s = 2 2 0 m p a 时，裂纹在8 0 0 0 次附近萌生。在不同的应力水平下，萌生期都占疲劳寿命的2 6 v 一3 0 左右，即裂纹的萌生期占疲劳寿命的百分比没有受到应力水平的影响( 2 ) 在置= 一l 时，裂纹扩展过程出现明显的小裂纹效应。在裂纹长度a o 5 r a m 时，裂纹扩展速率时快时慢，有较多波动，小裂纹扩展受显微组织的贵州大学硕士学位论文影响明显；当裂纹长度口卜0 5 r a m 后，裂纹扩展速率呈明显的上升趋势，显微组织对裂纹扩展的影响明显减弱。( 3 ) 在r = 一1 时，常出现多条裂纹萌生的情况，并且随着应力水平的增大，条纹数量也在增多( 4 ) 次裂纹一般比主裂纹较晚萌生，偶而会出现次裂纹与主裂纹同时萌生( 见图2 1 1 ) 的情况。另外次裂纹在扩展过程中，会出现因闭合而停止扩展或与其它裂纹汇合从而形成一条主裂纹的情况。2 3 2 2 在应力比置= 0 时：v n 应力水平下的小裂纹扩展规律t a 6 v 钛合金在r = 0 时裂纹萌生与扩展如图2 1 7 、2 1 8 所示：p。1 0 0 e 一0 3誉z8 0 0 e 一0 4煮6 0 0 e 一0 4翟4 0 0 e 埘辖舅2 0 0 e - 0 4咐0 0 0 e + 0 0裂纹长度与扩展速率的关系曲线oo 5裂纹长度ao h m )图2 1 7 小裂纹试样r = 0 时在不同应力水平下的裂纹扩展情况3贵州大学硕士学位论文一3譬蕙2 5褪2冀1 5碟1o 5o裂纹长度与循环次数的关系曲线01 0 0 0 02 0 0 0 03 0 0 0 04 0 0 0 05 0 0 0 0循环次数n图2 1 8 小裂纹试样r = 0 时在不同应力水平下的主裂纹萌生情况t a 6 v 钛合金在r = 0 时裂纹萌生与扩展一般具有以下特点：( 1 ) 在r = 0 时，主裂纹的萌生期与r = 一1 时的基本相同，在7 0 0 0 - - 2 3 0 0 0次之间，并且随着应力水平的增大，裂纹萌生期和疲劳寿命都明显缩短如图2 1 8 可知，当s = 2 9 0 m p a 时，裂纹在2 3 0 0 0 次以后萌生；当s = 3 0 0 m p a 时，裂纹在2 0 0 0 0 次附近萌生，；当s = 3 2 0 m p a 时，裂纹在8 0 0 0 次附近萌生( 2 ) 在r = 0 时。裂纹扩展过程小裂纹效应没有r = 一1 时明显。如图2 1 7“r 知，稿：裂纹k = 度口o 7 m m 时，裂纹扩展速率也出现时快时慢的现象，但比r = 一l 时波动较少且比较平缓，小裂纹扩展受显微组织的影响没有r = 一1 时明显；当裂纹长度a 卜o 7 m m 后，裂纹扩展速率呈明显的上升趋势，显微组织对裂纹扩展的影响减弱。( 3 ) 在r = 0 时一般不出现次裂纹萌生的情况，偶而出现次裂纹，数量也较少贵州大学硕士学位论文与尺= 0 时相比，在r = 一l 时s e n t 试样在不断地受到拉、压载荷的交替作用，更易较早地萌生小裂纹，次裂纹的数量因此也较多；另外，在r = 一1 时小裂纹扩展速率有较多波动，小裂纹效应明显。2 4 本章小结1 对采用割线法和修正的割线法计算疲劳裂纹扩展速率进行了探讨，并用t a 6 v 钛合金疲劳小裂纹试验数据采用两种方法计算裂纹扩展速率进行了比对。2 研究了t a 6 v 钛合金裂纹扩展路径和扩展方式，讨论了裂纹尖端与晶界的交互作用对裂纹扩展速率的影响。3 研究了t a 6 v 钛合金在r = 一l 和r = 0 时疲劳小裂纹的萌生和扩展规律。存r = l 时，小裂纹较易萌生，且扩展阶段小裂纹效应较明显。贵州大学硕士学位论文第三章t a 6 v 钛合金疲劳断口形貌及分析扫描电镜s e m 断口照片能提供金属断裂后留下来的最直接的信息，从而可以分析金属断裂的原因，为材料的安全应用提供设计参考【1 3 1 。本文借助k y k y 2 8 0 0 b 型s e m 对t a 6 v 钛合金s e n t 试样的疲劳断口形貌进行观察，分析t a 6 v 钛合金疲劳断口形貌形成的原因3 1 断口分析的方法楸j l c 研究于段的不同，断口分析方法分为宏观分析方与微观分析两种1 。断ii 的宏观分析是用肉眼、放大镜或低倍率光学显微镜( 放大倍数在5 0 x 以下) 来研究断口的特征，该条件下观察到的断口特征称为断口的微观形貌。宏观分析是断裂分析的基础，通过宏观分析可以判断断裂的性质、受力状态、裂纹源位置、裂纹扩展方向。断口的微观分析是使用高倍率光学显微镜( 5 0 倍以上) 、扫描电子显微镜s e m 和透射电子显微镜t e m ( 可高达几十万倍) 来研究断口的特征，在这种条件下观察到的断口特征称为断口的微观形貌。s e m 和t e m 近年来在微观断口分析中得到了广泛的应用。断口的宏观分析与微观分析都是断口分析的重要方法，两种方法互相补充，使断口分析的结果更为完整3 2 扫描电子显微镜在断口分析中的应用 i 捕电子娃微镜( s c a n n i n g - e l e c t r o n - m i c r o s c o p e ) 简称扫描电镜( s e m ) ，在会相实验室罩是一种较新的仪器，它是从电磁学、真空管电子学及真空抽气技术领域的早期研究发展而来的s e m 是电子光学、真空及电子控制装置的综合体，用来把一束电子轰击到靶极试样表面的针尖点上，并将靶极上发出的信号收集显示出来最初发展s e m 的目的是为了获得有关表面形貌的信息并用它补充光学显微镜及透射电镜功能的不足，后来由于把有关功能附件配备齐全，使s e m 成了一种能用来了解材料全部特性的工具，从而在材料科学、医学、生物学、半导贵州大学硕士学位论文体电子学等领域中的应用日益广泛，已成为科学研究工作中的重要工具对断1 2 1 分析，与光学显微镜和透射电镜相比s e m 具有以下优点】：1 s e m 放大倍数可在1 0 , , - 1 0 0 0 0 0 倍间连续可调，有助于在较低倍数下对宏观断口进行初步评定及在高倍下观察样品细节；2 聚焦景深大，对粗糙的样品表面可获得清晰的图像；3 可观察三维的形貌特征，图像清晰，立体感强，观察过程对样品无损伤；4 制备样品简单，可直接观察断口而无需制备薄膜或表面复型。s e m 是详细研究三维结构表面的有力工具，在断口分析中得到了广泛的应用。s e m 可用来研究材料的宏微观形貌特征，断裂机制及其与材料的成分、组纵站构、各种加工工艺之间的关系，从而为新材料的开发研究、老材料的性能和上艺改j ! 【挺供重要的科学依据s e m 在质量控制、失效分析中也起着重要的作用，通过对失效件的表面或断口的分析研究，可以确定零部件失效或者断裂的性质、原因及周围环境因素对它的影响，最终提出预防措施。由于s e m 的出现而使过去的失效分析中感到棘手的问题在今天迎刃而解，这已为近些年来在航空、铁路、电站、化工等部门发生的很多重大事故能得到迅速地解决3 3t a 6 v 钛合金疲劳断口形貌及分析在对t a 6 v 钛合金s e n t 试样在i n s t r o n 8 5 0 1 型液压伺服疲劳实验机进行疲劳小裂纹试验的基础上( 试验频率为1 5 i - i z ，应力比r = 0 ，最大应力s = 3 0 0 m p a ) ，使用k y k y 2 8 0 0 b 型s e m 进行断口形貌观察和分析从宏观上看，疲劳源起始于应力集中的半圆形缺口根部，源区断面比较光亮、平坦，有明显的放射状花纹；在裂纹扩展区，断面逐渐变得粗糙、色泽发暗；瞬断区呈现灰色。微观上，通过s e m 对t a 6 v 钛合金s e n t 试样断口观察，疲劳断口可明显的分为三个具有不同形貌特征的区域，即疲劳源区、裂纹扩展区和瞬时破断区，它们分别代表了疲劳破坏的不同历程s e m 观察时，保持断口试样裂纹源在上端，按疲劳源区、扩展区、瞬断区顺序观察。3 3 1 疲劳断口小裂纹的形状贵州大学硕士学位论文s e m 观察断口表面疲劳源区表明：表面裂纹一般以半圆形方式扩展，即裂纹形状比a c “l ，如图3 1 和3 - 2 所示图3 1 裂纹源a 引起的裂纹扩展形状图3 - 2 裂纹源b 引起的裂纹扩展形状3 3 2 疲劳源区断口形貌贵州大学硕士学位论文图3 - 3 疲劳源区宏观形貌首先在2 5 5 0 倍的低倍下根据裂纹走向逆向判断疲劳源的位置( 如图3 _ 3 中a 、b 点) 一疲劳源是疲劳破坏的起点、是疲劳裂纹最初形成的地方，它起源于试样表面应力集中或表面存在缺陷的位置s e n t 试样缺口处应力集中，是疲劳裂纹易f 萌生的地方，当裂纹形成后，以疲劳源为中心向断口中央辐射状扩展。图3 _ 4 疲劳源a 的放大图片贵州大学硕士学位论文图3 5 裂纹源b 的放大图片在疲劳断口上疲劳源区是一个光滑、细洁的扇形小区域，而真正的疲劳源是大致位于“扇”柄处的裂纹萌生和微观裂纹扩展处。如图3 1 和3 - 2 所示，大部分的光亮区是当裂纹长在l m m 以下时裂纹缓慢扩展期形成的，这一阶段裂纹张开位移小，扩展缓慢，反复地张开和闭合使断口两面相互挤磨，形成了断口上最细滑的区域。在此区域，可看到以疲劳源为中心向四周辐射的放射台阶和线痕，并可延伸到很远的地方，这说明疲劳裂纹不是简单的一个宏观平面，而是沿着一系列具有高度差的宏观平面向周围扩展，这时疲劳源是一条锯齿状的微裂纹( 如图3 4 中a 处和3 5 中b 处) ，本断口有两个位于不同位置的疲劳源，如图3 3 中所示的彳和_ b 两点。3 3 3 裂纹扩展区断口形貌1 裂纹扩展第一阶段断口形貌贵州大学硕士学位论文( a ) 准解理小面图3 - 6 准解理小面和二次裂纹贵州大学硕士学位论文图3 7 二次裂纹和小疲劳辉纹( 说明：图3 7 是图3 - 6 中方框的放大图片。)疲劳裂纹扩展的第一阶段是疲劳断口上最重要的特征区域，它占据了断口的大部分区域。存在裂纹扩展第一阶段是低循环应力振幅的证明，而且应力振幅越低，第一阶段裂纹越长。在裂纹扩展第一阶段可观察到准解理断裂特征。准解理断裂沿一定的结晶面扩展，断口上沿裂纹扩展方向出现明显的河流花样和解理台阶( 如图3 1 和3 - 2所示) ，以及由具有较大塑性变形引起的撕裂棱。准解理断裂的塑性变形量大于解理断裂又小于延性断裂，属于穿晶断裂。另外在裂纹扩展第一阶段和第二阶段的过渡区，断口有大量的准解理小面( 见图3 5 和3 - 6 ) ，并伴有大量的小二次裂纹( 如图3 - 6 中c 处所示) 和一些小疲劳辉纹( 见图3 7 ) ，在准解理小面的周围有少量极浅的韧窝。2 裂纹扩展第二阶段断口形貌贵州大学硕士学位论文图3 - 8 扩展区宏观形貌图3 - 9 远离源区的疲劳条带和二次裂纹贵州大学硕士学位论文图3 1 0 疲劳条带和疲劳台阶( 说明：图3 - 9 是图3 - 8 中方框的放大图片，图3 1 0 是图3 - 9 中方框的放大图片。)疲劳裂纹扩展第二阶段断口最重要的特征是疲劳条带的存在疲劳条带仅存在于裂纹尖端处于张开型的平面应变条件下，而本试样满足此条件疲劳条带是否存在及其具体形态是判断裂纹性质、分析各种因素对疲劳断裂影响的直接微观资料。疲劳条带具有以下特点 2 4 1( 1 ) 疲劳条带为一系列基本上相互平行的条纹，略带弯曲呈现波浪形( 如图3 1 0 所示) ，并与裂纹局部扩展方向相垂直( 裂纹扩展方向由上往下，见图3 - 9 ) ；( 2 ) 每一条疲劳条带代表一次载荷循环，条带个数等于载荷循环次数。根据断口疲劳条带的宽度，可计算t a 6 v 钛合金在此阶段的裂纹沿板宽方向的扩展速率为4 1 0 - 3 m m c y c l e ，相对于裂纹沿板厚方向的扩展速率2 5 1 0 _ 4 m m c y c l e( 由试验数据而得) 较高；( 3 ) 条带间距随应力强度因子幅的变化而变化；( 4 ) 通常在同一小断块上的疲劳条带是连续而平行的，但相邻小断块上的条带不连续，不平行。贵州大学硕士学位论文疲劳裂纹扩展的第二阶段，除了疲劳条带这一主要特征外，同时有较多较长的二次裂纹产生( 如图3 - 9 中d 处所示) 二次裂纹是由断口表面向内部扩展的裂纹，它们在断口上的形态为一些微裂纹，往往与疲劳条带保持平行，但其深度远大于条带的在断口上的深度。并且在断口上二次裂纹里断续分布，在同一方向上时有时无。二次裂纹附近的疲劳条带表明 5 1 ，在疲劳扩展过程中，二次裂纹起裂后，局部应力得到松弛，使得裂纹可以以条带机制扩展。另外在疲劳裂纹扩展的第二阶段，在疲劳条带和二次裂纹周围还存在大量的韧窝，即裂纹扩展逐渐向瞬断区过渡。3 3 4 瞬断区断口形貌图3 1 1 瞬断区韧窝瞬断区是疲劳裂纹扩展到l f 缶界尺寸后失稳扩展所形成的区域本试样瞬断区出现在缺口的对面的周边的内侧，由于应力幅值较低，瞬断区较短。s e m 观察发现在瞬断区内出现大量的瞬断区具有的典型形貌韧窝花样( 如图3 1 l 所示) 。在外力的作用下，显微空穴在基体与碳化物、沉淀物和夹杂物之类的界面处贵州大学硕士学位论文引起，或在显微疏松及微裂纹之类的缺陷处产生1 2 2 1 。显微空穴在裂纹尖端前沿三向应力条件下长大并集聚，在拉应力作用下发生屈服变形，断裂时在断口上遗留下的半球形空洞即韧窝。韧窝在断口上疲劳裂纹扩展第二阶段和瞬断区的大量分布，说明t a 6 v 材料的韧性较好。3 4 本章小结1 由s e m 观察疲劳断口可知：疲劳断口呈现多源性，且疲劳源发生在应力集中的缺口根部；裂纹形状一般呈近半圆形扩展。2 疲劳裂纹扩展时，第一阶段在疲劳源区附近主要由河流花样和解理台阶组成，扩展过程有大量的准解理小面，并且二次裂纹较小，疲劳辉纹较细；第二阶段疲劳条带较长较宽，二次裂纹较长较深，在疲劳条带附近伴有小韧窝；3 根据疲劳条带的宽度估算出了疲劳条带处裂纹沿板宽方向的扩展速率为4 x 1 0 4 m m c y c l e ，相对于裂纹沿板厚方向的扩展速率较高。4 在疲劳裂纹扩展第二阶段和瞬断区出现大量的韧窝形貌，则t a 6 v 钛合金的疲劳断裂属于塑性断裂，材料的韧性较好。贵州大学硕士学位论文第四章t a 6 v 钛合金s e n t 试样的a n s y s 疲劳分析应用疲劳耐久性分析技术，5 0 e h 于疲劳引起的断裂是可以避免的，因此对材料和构件进行疲劳分析具有重要意义。有限元法的应用，可准确高效地计算出构件表面及缺口根部的应力应变 1 5 j 6 , 1 8 , 2 8 j o ) 3 州，并在此基础上利用局部应力应变法进行断裂疲劳分析，节省了试验材料。本文借助大型结构有限元分析软件a n s y s 对t a 6 v 钛合金s e n t 试样在应力比r = 一l 时进行疲劳分析，采用局部应力应变法确定s e n t 试样缺口处的应力状态分布，根据m i n e r 累积损伤理论估算t a 6 v 钛合金的疲劳寿命，为t a 6 v 钛合金结构疲劳安全设计及其可靠性提供了科学依据。4 1a n s y s 疲劳分析步骤4 1 1a n s y s 一般分析步骤a n s y s 分析的步骤主要分为三大部分：前处理模块( p r e p r o c e s s o r ) ，分析计算模块( s o l u t i o n ) 和后处理模块( g e n e r a lp o s t p r o e e s s o r ) 。其中前处理模块的关键步骤是创建有限元模型和划分单元；分析计算模块的关键步骤是施加边界约束和载荷，进行求解计算；后处理模块查看处理分析结果，获得物体对载荷的响应1 前处理( 1 ) 创建有限元模型。建模可由软件提供的功能绘出，也可以经过c a d系统，用i g e s 文件、s a t 文件、p r o e 、u g 文件与p a r a 参数实例文件导入。( 2 ) 定义材料属性材料属性定义的参数包括弹性模量e x 及e y 、剪切弹性模量g x y 和泊松比n u x y 、单向应力应变关系、破坏准则、材料密度等。( 3 ) 定义实常数。实常数是根据单元的几何特性定义分析模型的截面特性，在梁或桁架模型中，则必须定义其截面尺寸；在膜或板模型中，必须定义厚度。若截面特性未输入，则无法进行分析。( 4 ) 定义单元类型。单元类型包括o d 的质点及空隙等单元，1 d 的梁及柱等单元、2 d 的板及壳等单元、3 d 的四面体及六面体等单元。( 5 ) 划分单元划分单元则包括确定坐标系统、网格大小( 单元的尺寸) ，贵州大学硕士学位论文对几何模型划分网格，形成有限元单元。另外在输入材料的各种参数时，注意保持单位的一致性，采用同一单位系统。2 施加载荷及求解( 1 ) 选择分析类型。分析类型选项主要有静力、模态、谐波响应、瞬态响应、特征屈曲等分析类型。( 2 ) 设置求解控制。设置一般分析选项包括基本选项、求解选项、非线性选项、高级选项。( 3 ) 施加约束条件和载荷。可以在实体模型( 点、线、面、体) 或有限元模型( 节点、单元) 上施加位移约束条件、施加力和力矩、压力、温度、流、重力等载荷，也可通过数组参数定义载荷。对非线性分析需采用荷载步和荷载子步对模型分步加载。( 4 ) 求解计算。3 查看及处理分析结果通过一般后处理器p o s t l 和时程后处理p o s t 2 6 进行后处理，查看变形图、反力和反力矩、节点力和力矩、线单元结果、误差评估、应力云图( 等值线显示)等，并检查结果的正确性和合理性，处理分析结果。4 1 2a n s y s 疲劳分析步骤a n s y s 疲劳计算以a s m e 锅炉和压力容器规范( a s m eb o i l e ra n dp r e s s u r ev e s s e lc o d e ) 作为计算依据，采用简化了的弹塑性假设和m i n e r 累积疲劳准则。4 1 2 1a n s y s 疲劳分析的基本术语( 1 ) 位置( l o c a t i o n ) ：在模型上储存疲劳应力的节点。这些节点是结构上容易产生疲劳破坏的位置。( 2 ) 事件( e v e n t ) ：是在特定的应力循环过程中，在不同时刻的一系列应力状态。( 3 ) 载荷( l o a d i n g ) ：是事件的一部分，是其中的一个应力状态( 4 ) 应力幅：是两个载荷之间应力状态之差的度量。贵州大学硕士学位论文4 1 2 2a n s y s 疲劳计算的功能( 1 ) 对现有的应力结果进行后处理，以确定体单元或壳单元模型的疲劳寿命耗散系数；( 2 ) 可以在一系列预先选定的位置上，确定一定数目的事件及组成这些事件的载荷，然后把这些位置上的应力储存起来；( 3 ) 可以在每一位置上定义应力集中系数和给每一个事件定义比例系数。4 1 2 3a n s y s 疲劳分析步骤a n s y s 的疲劳分析步骤同大多数a n s y s 分析过程基本相同，其主要区别就在于后处理过程不同，a n s y s 疲劳分析在完成了应力求解计算后进入通用后处理器p o s t l 中进行疲劳计算。a n s y s 疲劳计算一般有五个主要步骤【1 2 】；1 进入后处理器p o s t l ，恢复数据库；2 建立位置、事件和载荷的数目，定义材料的疲劳性质，确定应力位置和定义应力集中系数；3 存储不同事件和不同载荷下关心位置的应力，并指定事件的重复次数和比例系数；4 激活疲劳计算；5 查看计算结果。4 2a n s y s 疲劳分析理论4 2 1a n s y s 疲劳分析的基本思路a n s y s 疲劳分析采用局部应力应变法结合材料循环的s - n 曲线，通过弹塑性有限元法将构件上的名义应力谱转换成危险部位的局部应力应变谱，从而根据危险部位的局部应力应变历程采用m i n e r 累积损伤理论估算构件的疲劳寿命4 2 2 局部应力应变法疲劳破坏是结构失效的主要形式之一。近年来，局部应力应变法已经成为广泛采用的低周疲劳寿命的估算方法4 删局部应力应变法根据材料光滑试件的s - n 曲线和构件缺口处的局部应力应变历史来估算构件的疲劳寿命3 9贵州大学硕士学位论文4 2 2 1 局部应力应变法的基本假设局部应力应变法假设n 射：若同种材料制成的构件的危险部位的最大应力应变历程与一个光滑试件的应力应变历程相同，则它们的疲劳寿命相同。该方法中的控制参数是局部应力应变。其模型见图4 1 。图4 - l局部应力应变法基本假设的模型在图4 - 1 中，s 为缺口试件的名义应力，仃为光滑试件的名义应力。局部应力应变法又分为稳态法和瞬态法两种方法。其中稳态法适用于循环瞬态行为不明显、疲劳寿命在1 0 - - 1 0 5 区间的材料，为了提高疲劳寿命的估算精度，对载荷谱作雨流处理；而瞬态法适用于任何金属材料、疲劳寿命在1 0 1 0 8 区间的材料。两种方法相比，稳态法试验获取数据较容易、计算过程较简单。本文进行的a n s y s 疲劳分析中采用的是局部应力应变法中的稳态法，并且采用雨流法处理载荷谱。4 2 2 2 计算结构局部应力应变的方法缺口构件在高应力水平下缺口进入塑性状态，此时缺口根部的应力应变为非线性关系，对应力应变历程的分析较困难。而局部应力应变计算的正确与否又直接关系着疲劳寿命的估算精度，因此局部应力应变历程的计算在局部应力应变法中具有非常重要的地位。计算局部应力应变历程的方法主要有三种：贵州大学硕士