高低周复合载荷下的钛合金疲劳与裂纹扩展机理及预测模型研究

The damage mechanism and crack propagation properties under combined high and low cycle loading is not linear summation of the characteristic under high and low cyclic loading. Using the method of combining experiment with theoretical analysis, the fatigue and crack propagation mechanism and its inherent laws of titanium alloy under combined loading is researched in the present project. The theoretical foundation is to be established for mastering analysis and design techniques of aircraft engine disk and blade fatigue resistance. The fatigue experiments are carried out, and the Scanning electron microscope(SEM) is used to observe fractography.Based on thesis test results, the effect mechanism and laws of low cycle load level and the percentage of damage on high cycle fatigue strength is quantitative analysed. Through the experiments, effects of the stress ratio of the high cycle and ratio of high over low cycle on the fatigue crack initiation of titanium alloy are studied. The effects of the high cycle stress ratio and ratio of high over low cycle are carried out upon fatigue crack propagation of titanium alloy. Through these studies, to deepen understanding of mechanism of titanium alloy high-low cycle complex fatigue and crack propagation. Finally, the titanium alloy fatigue life prediction model and crack-growth rate model under combined high and low cycle loading have been derived.

高低周复合疲劳的损伤机制与裂纹扩展特性不是高周和低周载荷作用效果的简单叠加，本项目应用实验与理论分析相结合的方法，研究高低周复合载荷下的钛合金疲劳与裂纹扩展机制及其内在规律，为航空发动机转子及叶片的抗疲劳设计奠定理论基础。开展钛合金材料TC11的疲劳试验和断口的测量与分析，定量分析低周载荷水平及预损伤百分比对高周疲劳强度的影响机制与规律。通过开展不同高周应力比、高低周循环比的高低周复合疲劳试验，研究高周应力比、高低周循环比对钛合金材料疲劳裂纹萌生的影响规律。研究获得高周应力比、高低周循环比等对钛合金材料的裂纹扩展特性的影响规律。通过这些研究，加深人们对钛合金高低周复合疲劳的机理及裂纹扩展机理的认识，最终建立建立高低周复合载荷作用下的钛合金疲劳寿命与裂纹扩展速率预测模型。

本项目围绕TC11的高低周复合疲劳机理和裂纹的扩展规律，开展了理论与试验研究：通过试验得到了TC11材料室温条件下的得到了低周疲劳、高周疲劳寿命，分析了各种载荷条件下试验断口的宏观和微观特征。开展了TC11材料的高低周复合疲劳试验，试验中考虑了高低周循环比m和高低周交互作用循序（叠加和先后作用）等条件，试验表明：高低周循环比m、高周应力比Rminor和高周平均应力σmajor对高低周复合疲劳寿命存在较大影响；高低周复合疲劳断口与高周断口有较明显的区别；高低周复合载荷中的低周循环引起的较大滑移是引起疲劳寿命降低的主要原因。对非线性高低周复合疲劳寿命预估模型中的关键参数γ进行了拟合，还对非线性高低周复合疲劳寿命预估模型进行了改进，推导提出了一种考虑材料力学特性和载荷参数的高低周复合疲劳寿命估算模型，与试验结果的对比分析表明本项目改进的非线性累积损伤模型的预测的精度更高。开展了TC11材料低周疲劳和高低周复合疲劳载荷下的裂纹扩展速率试验研究，得到了低周、高周和高低周载荷条件下的裂纹稳态扩展曲线，研究表明：高周应力比Rminor、总应力强度因子幅值△Ktotal对裂纹扩展速率有较明显的影响，高低周复合循环载荷块中的高周循环明显降低了TC11的抵抗裂纹扩展的能力，高低周复合疲劳裂纹扩展断口有明显的二次裂纹和疲劳条带混合特征，且二次裂纹深度相对较小且分布较均匀；线性累积裂纹扩展速率估算公式用于TC11钛合金的高低周复合裂纹扩展速率预测的存在一定偏差。本项目的研究工作对于钛合金的高低周复合疲劳及裂纹扩展进行了理论与技术储备。