CN113109192B - 基于保载载荷响应差别的钛合金保载疲劳寿命的测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种基于保载载荷响应差别的钛合金保载疲劳寿命的测试方法，该方法针对具有保载疲劳敏感性的近α和α+β型钛合金，结合钛合金对不同保载载荷测试条件的响应差别，合理化设计应力比和保载时间组合两种保载疲劳性能测试条件，分别获得保载疲劳寿命上边界和下边界的保载疲劳寿命区间的加速试验方法。该方法的优势在于：结合钛合金在不同保载疲劳测试条件下的响应差别，预测目标钛合金的保载疲劳寿命区间，可以明显缩短保载疲劳测试周期和测试成本，并且对于关注保载疲劳性能的其它钛合金，这种测试方法具有普遍适用性。

Description

基于保载载荷响应差别的钛合金保载疲劳寿命的测试方法
技术领域
本发明是一种基于保载载荷响应差别的钛合金保载疲劳寿命的测试方法，属于金属材料疲劳试验测试技术领域。
背景技术
航空发动机中的钛合金转动部件(风扇、压气机盘、涡轮盘等)在实际服役过程中通常需要承受高载荷、变载荷、长时载荷等复杂载荷条件，因此对疲劳性能评价及其关注。其中，近α和α+β型钛合金由于其在近室温～600℃的温度区间所具有的优异抗蠕变和抗疲劳等综合力学性能，通常被用于航空发动机的压气机盘、风扇及其叶片等零部件。在这些零部件的实际设计和应用中，需结合其实际服役条件进行疲劳寿命试验设计并进行疲劳性能考核。考虑到航空发动机在实际服役过程中的载荷方式一般符合加载、保载和卸载的三阶段载荷特征，目前本领域研究人员设计梯形波载荷的新型疲劳载荷方式进行钛合金材料和零部件的性能评估。
梯形波的设计多使用较长的保载时间(一般为120s)和常规的加载和卸载时间(一般为1s)，由于钛合金保载疲劳效应，梯形波的疲劳失效周期通常低于常规三角波疲劳的数倍，但是较长的保载时间难以抵消保载疲劳敏感性带来周期降低的影响，实际采用梯形波的保载疲劳测试时间通常比常规三角波疲劳测试时间高出一至两个数量级，这使得疲劳性能试验测试周期更长和测试成本更高，单个保载疲劳试样性能评估中高达数周的测试周期和数万元的测试成本对钛合金零部件的力学性能考核和工程实践应用产生不利影响。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提出了一种基于保载载荷响应差别的钛合金保载疲劳寿命的测试方法，其目的在于针对近α和α+β型钛合金的保载疲劳性能寿命进行测试，以满足实际科研生产和工程应用过程中对钛合金保载疲劳性能评估的需求，通过合理化设计应力比和保载时间组合两种保载疲劳性能测试条件，缩短保载疲劳测试周期和测试成本，该方法对钛合金的保载疲劳性能评估具有重要的工程应用价值。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明所述的基于保载载荷响应差别的钛合金保载疲劳寿命的测试方法的步骤如下：
步骤一、评估钛合金的种类和微观组织类型：
通过对钛合金材料进行合金成分测试和微观组织检测，确定是具有保载疲劳敏感性的近α或α+β型钛合金种类，制备疲劳试样；
步骤二、测试目标载荷和目标温度的低周疲劳失效周期：
在钛合金保载疲劳敏感温度区间和钛合金工作温度区间的重叠区域内选定目标温度，将钛合金的服役设计载荷确定为目标载荷，测试目标温度和目标载荷条件下钛合金的低周疲劳失效周期NfL；
步骤三、在不同应力比条件下进行钛合金的保载疲劳测试并确定保载疲劳寿命下边界：
在应力比R＝(-1～-0.1)区间内选定3个上应力比参数，进行目标载荷和目标温度条件下的钛合金保载疲劳测试，获得相应测试条件下的保载疲劳失效周期Nfi，其中i为对应的应力比参数，然后使用指数函数公式Nfi＝a×exp(b×R)对得到的保载疲劳失效周期Nfi进行拟合，确定公式中的拟合系数a和b，再根据拟合后的指数函数公式计算目标载荷和目标温度条件下、应力比R＝0时的保载疲劳寿命Nf0d，作为保载疲劳寿命下边界；
步骤四、在不同保载时间条件下进行钛合金的保载疲劳测试并确定保载疲劳寿命上边界：
在保载时间t＝(0～60s)区间内选定3个上保载时间参数，进行目标载荷和目标温度条件下的钛合金保载疲劳测试，获得相应测试条件下的保载疲劳失效周期Nft，其中t为对应的保载时间参数，然后使用对数函数公式Nft＝a’-b’×ln(t+c’)对得到的保载疲劳失效周期Nft进行拟合，确定公式中的拟合系数a’、b’和c’，再根据拟合后的对数函数公式计算目标载荷和目标温度条件下、保载时间t＝120s时的保载疲劳寿命Nf0u，作为保载疲劳寿命上边界；
步骤五、对已有测试结果进行迭代优化，将保载疲劳寿命上、下边界作为钛合金材料在目标载荷和目标温度条件下，应力比R＝0、保载时间t＝120s的保载疲劳寿命失效范围。
在一种实施中，步骤一中，通过钛合金材料的合金成分含量来和微观组织特征确定是否属于具有保载疲劳敏感性的α或α+β型钛合金。
在一种实施中，步骤二中，所述低周疲劳测试的条件为：载荷波形为三角波，频率f＝0.5Hz，应力比R＝0。
在一种实施中，步骤三中，所述保载疲劳测试的条件为：载荷波形为梯形波，加载、卸载各1s，保载时间为120s,应力比R在(-1～-0.1)区间。
在一种实施中，步骤四中，所述保载疲劳测试的条件为：载荷波形为梯形波，加载、卸载各1s，应力比为0，保载时间t在(0～60s)区间。
在一种实施中，步骤五中，将应力比R值从-1向0取值，重复步骤三的保载疲劳测试，对保载疲劳寿命下边界进行迭代优化。将保载时间t值从0向120s取值，重复步骤四的保载疲劳测试，对保载疲劳寿命上边界进行迭代优化。对于迭代优化的终止条件可设定为保载疲劳寿命上边界与下边界之差约等于保载疲劳寿命上边界与下边界的平均值。
本发明技术方案是通过钛合金对不同保载载荷测试条件的响应差别，合理化设计应力比和保载时间组合两种保载疲劳性能测试条件，分别获得保载疲劳寿命上边界和下边界。以下对本发明技术方案的特点及有益效果作进一步地说明：
1、本发明技术方案基于钛合金保载疲劳寿命随应力比R的指数函数增长规律，结合趋近迭代方法获得保载疲劳寿命的上边界；基于钛合金保载疲劳寿命随保载时间t的对数函数衰减规律，结合趋近迭代方法能够获得保载疲劳寿命的下边界，验证结果显示，实测保载疲劳寿命处于本发明方法获得的钛合金材料保载疲劳寿命失效范围之内，本发明方法能够有效替代常规保载疲劳测试；
2、采用本发明方法得到的疲劳失效周期数据进行保载疲劳测试失效寿命的预测，比直接在目标温度和目标载荷条件下进行梯形波的保载疲劳测试节省了测试时间和测试成本，具有明显的时效性和经济性；
3、由于疲劳性能测试通常具有数据分散性，单个试样的标准保载疲劳测试结果难以满足设计需求，本发明方法使用应力比R和保载时间t的拟合曲线规律预测钛合金保载疲劳寿命，并给出保载疲劳寿命区间，使采用本发明方法预测的保载疲劳测试失效寿命具有更大的合理性和应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例中Ti6242钛合金微观组织形貌
图2为本发明实施例中Ti6242钛合金不同应力比保载疲劳寿命及其拟合曲线
图3为本发明实施例中Ti6242钛合金不同保载时间保载疲劳寿命及其拟合曲线
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本实施例以Ti6242钛合金的室温保载疲劳性能评估为例，采用本发明所述的保载疲劳寿命测试方法的步骤如下：
步骤一、对目标钛合金进行钛合金的种类和微观组织类型鉴定，验证使用材料为Ti6242钛合金，如图1所示，图1显示微观组织为典型的双态组织，白色为初生α相，灰黑色为β转变相，结合文献资料判断该组织类型的Ti6242钛合金为属于典型具有一定保载疲劳敏感性的近α钛合金。选取微观组织均匀区域制备疲劳试样。
步骤二、测试目标载荷和目标温度的低周疲劳失效周期：
结合目标钛合金具有保载疲劳敏感性的近室温温度区间和实际评估需求，确定目标载荷为869MPa和目标温度为室温，测试此载荷条件下的低周疲劳失效周期NfL(三角波，f＝0.5Hz，应力比R＝0)为14749周次；
步骤三、设计不同应力比条件的保载疲劳测试参数进行疲劳寿命公式拟合：
在不同应力比R＝(-1～-0.1)区间设计3个应力比参数分别为R＝-1、R＝-0.75和R＝-0.5，进行在室温条件下869MPa的不同应力比保载疲劳测试，获得相应测试条件下的保载疲劳失效周期Nfi(梯形波，加载、卸载各1s，保载120s)，使用指数函数公式Nfi＝a*exp(b*R)进行拟合，如图2所示，根据拟合公式预测在室温条件下869MPa时应力比R＝0时的保载疲劳寿命为3618周次，作为保载疲劳寿命下边界；
步骤四、设计不同保载时间条件的保载疲劳测试参数进行疲劳寿命公式拟合：
在不同保载时间区间设计4个保载时间参数分别为t＝0s、t＝1s、t＝5s和t＝20s，进行室温条件下869MPa的不同保载时间保载疲劳测试，获得相应测试条件下的保载疲劳失效周期Nft(梯形波，加载、卸载各1s，R＝0)，使用对数函数公式Nft＝a’-b’*ln(t+c’)进行拟合如图3所示，根据拟合公式预测目标载荷和目标温度保载时间t＝120s时的保载疲劳寿命为8212周次，作为保载疲劳寿命上边界；
步骤五、保载疲劳寿命区间优化与核验：
根据步骤三和步骤四推算的保载疲劳寿命上下边界预测目标Ti6242钛合金在室温条件下869MPa标准梯形波保载疲劳测试失效寿命介于3618至8212之间。实测两根相同疲劳试样在在室温条件下869MPa标准梯形波保载疲劳测试失效寿命分别为5925和7045，均在上述预测范围内。
此外，使用此方法单根试样最长测试时间63h，所需累积疲劳测试时间为202.27h，按照测试单价120元/h核算测试费用约为24272元；直接使用标准梯形波保载疲劳测试单根试样最长测试时间238.7h，所需累积疲劳测试时间439.54h，按照测试单价120元/h核算测试费用52745元。使用此方法在多台疲劳测试机上同时进行测试，最高可以将疲劳测试时间缩减至原测试时间的26.4％，压缩测试成本至原测试成本的46％，显示本方法具有明显的时效性和经济性。

Claims (5)

1.一种基于保载载荷响应差别的钛合金保载疲劳寿命的测试方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一、评估钛合金的种类和微观组织类型：
通过对钛合金材料进行合金成分测试和微观组织检测，确定是具有保载疲劳敏感性的近α或α+β型钛合金种类，制备疲劳试样；
步骤二、测试目标载荷和目标温度的低周疲劳失效周期：
在钛合金保载疲劳敏感温度区间和钛合金工作温度区间的重叠区域内选定目标温度，将钛合金的服役设计载荷确定为目标载荷，测试目标温度和目标载荷条件下钛合金的低周疲劳失效周期NfL，测试中的载荷波形为三角波，频率f＝0.5Hz，应力比R＝0；
步骤三、在不同应力比条件下进行钛合金的保载疲劳测试并确定保载疲劳寿命下边界：
在应力比R＝(-1～-0.1)区间内选定3个上应力比参数，进行目标载荷和目标温度条件下的钛合金保载疲劳测试，获得相应测试条件下的保载疲劳失效周期Nfi，其中i为对应的应力比参数，然后使用指数函数公式Nfi＝a×exp(b×R)对得到的保载疲劳失效周期Nfi进行拟合，确定公式中的拟合系数a和b，再根据拟合后的指数函数公式计算目标载荷和目标温度条件下、应力比R＝0时的保载疲劳寿命Nf0d，作为保载疲劳寿命下边界；
所述保载疲劳测试的条件为：载荷波形为梯形波，加载、卸载各1s，保载时间为120s,应力比R在(-1～-0.1)区间；
步骤四、在不同保载时间条件下进行钛合金的保载疲劳测试并确定保载疲劳寿命上边界：
在保载时间t＝(0～60s)区间内选定3个以上保载时间参数，进行目标载荷和目标温度条件下的钛合金保载疲劳测试，获得相应测试条件下的保载疲劳失效周期Nft，其中t为对应的保载时间参数，然后使用对数函数公式Nft＝a’-b’×ln(t+c’)对得到的保载疲劳失效周期Nft进行拟合，确定公式中的拟合系数a’、b’和c’，再根据拟合后的对数函数公式计算目标载荷和目标温度条件下、保载时间t＝120s时的保载疲劳寿命Nf0u，作为保载疲劳寿命上边界；
所述保载疲劳测试的条件为：载荷波形为梯形波，加载、卸载各1s，应力比为0，保载时间t在(0～60s)区间；
步骤五、对已有测试结果进行迭代优化，将保载疲劳寿命上、下边界作为钛合金材料在目标载荷和目标温度条件下，应力比R＝0、保载时间t＝120s的保载疲劳寿命失效范围。
2.根据权利要求1所述的基于保载载荷响应差别的钛合金保载疲劳寿命的测试方法，其特征在于：步骤一中，通过钛合金材料的合金成分含量来和微观组织特征确定是否属于具有保载疲劳敏感性的α或α+β型钛合金。
3.根据权利要求1所述的基于保载载荷响应差别的钛合金保载疲劳寿命的测试方法，其特征在于：步骤五中，将应力比R值从-1向0取值，重复步骤三的保载疲劳测试，对保载疲劳寿命下边界进行迭代优化。
4.根据权利要求1所述的基于保载载荷响应差别的钛合金保载疲劳寿命的测试方法，其特征在于：步骤五中，将保载时间t值从0向120s取值，重复步骤四的保载疲劳测试，对保载疲劳寿命上边界进行迭代优化。
5.根据权利要求1所述的基于保载载荷响应差别的钛合金保载疲劳寿命的测试方法，其特征在于：步骤五中，由于疲劳测试的分散性，对于迭代优化的终止条件可设定为保载疲劳寿命上边界与下边界之差约等于保载疲劳寿命上边界与下边界的平均值。
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