CN109142528A - 一种高强度钛合金高温超高周疲劳寿命预测方法 - Google Patents

一种高强度钛合金高温超高周疲劳寿命预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强度钛合金高温超高周疲劳寿命预测方法，本发明采用超声疲劳试验与高温拉伸试验，基于非线性损伤力学理论，引入反映高温环境的参数，建立材料的高温超高周疲劳寿命方程，定量评价不同高温环境下的高强钛合金超高周疲劳寿命。本发明采用超声疲劳试验与高温拉伸试验，建立含高温温度参数的超高周疲劳寿命方程，即可定量评价不同高温环境下的高强钛合金超高周疲劳寿命。该方法避免了昂贵、耗时、设备易损伤的高温超高周疲劳试验，具有简单、快速、经济优势。

Description

一种高强度钛合金高温超高周疲劳寿命预测方法
技术领域
本发明属于有色金属领域，特别涉及一种高强度钛合金高温超高周疲劳寿命预测方法。
背景技术
高强钛合金具有高强轻质、耐高温、耐腐蚀与成型性优良等优点，在航空结构、航空发动机压气机叶片、汽轮机叶片等领域得到广泛运用。高强钛合金结构在高速运转时承受高频振动疲劳载荷，在长期服役过程中承受的循环载荷可达109周次，即超高周疲劳。对于航空发动机压气机高强钛合金叶片，服役温度可达400℃～600℃。在服役温度下的高强钛合金超高周疲劳研究成为近年来研究热点。目前相关研究主要针对高强钛合金高温超高周疲劳性能与损伤机理研究，但是对其高温超高周疲劳寿命预测研究未见报道。高强钛合金高温超高周疲劳寿命预测是航空发动机高可靠性服役的基础。
对于高强钛合金超高周疲劳而言，超高周疲劳损伤是非线性损伤特征，但目前非线性损伤评价中并没有引入高温服役环境相关参数。因此，目前的评价模型不能准确评估高强钛合金高温超高周疲劳寿命。
发明内容
本发明公开了一种高强钛合金高温超高周疲劳寿命预测方法，本发明采用超声疲劳试验与高温拉伸试验，基于非线性损伤力学理论，引入反映高温环境的参数，建立材料的高温超高周疲劳寿命方程，定量评价不同高温环境下的高强钛合金超高周疲劳寿命。
为解决上述问题，本发明采用下述技术手段。
一种高强度钛合金高温超高周疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：
(1)对高强钛合金进行超高周次疲劳试验，获得高强钛合金的疲劳强度-寿命数据，并绘制疲劳S-N曲线；
(2)对高强钛合金进行室温拉伸试验，获得高强钛合金的拉伸曲线，并根据拉伸曲线计算出高强钛合金在室温下的弹性模量E0、硬化系数k、
抗拉强度σb，根据公式C＝0.6E0/k计算出高强钛合金的材料参数C；
(3)建立高强钛合金超高周疲劳寿命方程：
其中，σ为疲劳应力幅、NR为疲劳寿命；Kf为反映材料显微组织局部应力集中参数，其计算公式为kf＝σ10 7/σ10 8，RV为三向应力函数，数值为1；S，S1为与温度无关的参数，其数值由公式(a)计算得到；
(4)对高强钛合金在高温下进行拉伸试验，获得高强钛合金的拉伸曲线，并根据拉伸曲线计算出材料的高温弹性模量ET、高温硬化系数kT、高温抗拉强度σb，根据公式CT＝0.6ET/kT计算出高强钛合金在高温下的材料参数CT；根据公式σe＝σb/3计算出材料高温超高周疲劳极限σe；
(5)对公式(a)进行修正，获得高强钛合金高温超高周疲劳寿命方程：
将上述步骤中计算得到的参数带入公式(b)中，即可算出高强钛合金高温超高周疲劳寿命。
进一步地，步骤(1)中采用超声疲劳方法对高强钛合金进行超高周次疲劳试验，且试验频率为20kHz。
进一步地，步骤(2)中对高强钛合金进行室温拉伸试验时，其拉伸试验的加载速率为0.0025s-1。
进一步地，步骤(4)中对高强钛合金进行高温拉伸试验时，其拉伸试验的加载速率为0.0025s-1。
本发明的有益效果为：本发明采用超声疲劳试验与高温拉伸试验，建立含高温温度参数的超高周疲劳寿命方程，即可定量评价不同高温环境下的高强钛合金超高周疲劳寿命。该方法避免了昂贵、耗时、设备易损伤的高温超高周疲劳试验，具有简单、快速、经济优势。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
实施例1
一种高强钛合金高温超高周疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：
(1)采用超声疲劳方法对高强钛合金进行超高周次疲劳试验，试验频率20kHz，获得材料疲劳强度-寿命数据，绘制材料疲劳S-N曲线；107周次对应疲劳强度525MPa，109周次疲劳强度430MPa；
(2)对高强钛合金进行拉伸试验，加载速率0.0025s-1，绘制高强钛合金的拉伸曲线，并根据拉伸曲线计算出材料的弹性模量E＝110GPa、硬化系数k＝1634、材料参数C＝0.6E/k＝40.4、抗拉强度σb＝1100MPa；
(3)Kf由107与109对应的疲劳强度进行估算：Kf＝σ(107)/σ(109)＝1.22；Rv为三向应力函数，数值简化为1。
(4)根据S-N曲线、上述参数及公式(a)，拟合参数S＝112，S1＝3.2；
(5)对高强钛合金进行500℃模拟服役温度下拉伸试验，加载速率0.0025s-1，绘制高强钛合金的拉伸曲线，并根据拉伸曲线计算出材料的高温弹性模量ET＝74GPa、高温硬化系数k＝1225、材料参数C＝0.6ET/k＝36.2以及高温抗拉强度σb＝720MPa；并保守估算材料高温超高周疲劳极限σe＝σb/3＝240MP；
(6)将步骤(1)-(5)中数据代入公式(b)中，可获得500℃高强钛合金高温超高周疲劳寿命方程；
应力幅σ代入高温超高周疲劳寿命方程，即可计算500℃高强钛合金高温超高周疲劳寿。
实施例2
一种高强钛合金高温超高周疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：
(1)采用超声疲劳方法对高强钛合金进行超高周次疲劳试验，试验频率20kHz，获得材料疲劳强度-寿命数据，绘制材料疲劳S-N曲线；107周次对应疲劳强度525MPa，109周次疲劳强度430MPa；
(2)对高强钛合金进行拉伸试验，加载速率0.0025s-1，绘制高强钛合金的拉伸曲线，并根据拉伸曲线计算出材料的弹性模量E＝110GPa、硬化系数k＝1634、材料参数C＝0.6E/k＝40.4、抗拉强度σb＝1100MPa；
(3)Kf可由107与109对应的疲劳强度进行估算：Kf＝σ(107)/σ(109)＝1.22；Rv为三向应力函数，数值简化为1。
(4)根据S-N曲线、上述参数及公式(a)，拟合参数S＝112，S1＝3.2；
(5)对高强钛合金进行600℃模拟服役温度下拉伸试验，加载速率0.0025s-1，绘制高强钛合金的拉伸曲线，并根据拉伸曲线计算出材料的高温弹性模量ET＝68GPa、高温硬化系数k＝835、材料参数C＝0.6ET/k＝48.9以及高温抗拉强度σb＝640MPa；并保守估算材料高温超高周疲劳极限σe＝σb/3＝213MP；
(6)将步骤(1)-(6)中数据代入公式(b)中，可获得600℃高强钛合金高温超高周疲劳寿命方程；
应力幅σ代入高温超高周疲劳寿命方程，即可计算600℃高强钛合金高温超高周疲劳寿。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (4)

1.一种高强度钛合金高温超高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对高强钛合金进行超高周次疲劳试验，获得高强钛合金的疲劳强度-寿命数据，并绘制疲劳S-N曲线；
(2)对高强钛合金进行室温拉伸试验，获得高强钛合金的拉伸曲线，并根据拉伸曲线计算出高强钛合金在室温下的弹性模量E0、硬化系数k、抗拉强度σb，根据公式C＝0.6E0/k计算出高强钛合金的材料参数C；
(3)建立高强钛合金超高周疲劳寿命方程：
其中，σ为疲劳应力幅、NR为疲劳寿命；Kf为反映材料显微组织局部应力集中参数，其计算公式为kf＝σ10 7/σ10 8，RV为三向应力函数，数值为1；S，S1为与温度无关的参数，其数值由公式(a)计算得到；
(4)对高强钛合金在高温下进行拉伸试验，获得高强钛合金的拉伸曲线，并根据拉伸曲线计算出材料的高温弹性模量ET、高温硬化系数kT、高温抗拉强度σb，根据公式CT＝0.6ET/kT计算出高强钛合金在高温下的材料参数CT；根据公式σe＝σb/3计算出材料高温超高周疲劳极限σe；
(5)对公式(a)进行修正，获得高强钛合金高温超高周疲劳寿命方程：
将上述步骤中计算得到的参数带入公式(b)中，即可算出高强钛合金高温超高周疲劳寿命。
2.根据权利要求1所述的一种高强度钛合金高温超高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤(1)中采用超声疲劳方法对高强钛合金进行超高周次疲劳试验，且试验频率为20kHz。
3.根据权利要求1所述的一种高强度钛合金高温超高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤(2)中对高强钛合金进行室温拉伸试验时，其拉伸试验的加载速率为0.0025s-1。
4.根据权利要求1所述的一种高强度钛合金高温超高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤(4)中对高强钛合金进行高温拉伸试验时，其拉伸试验的加载速率为0.0025s-1。
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