【摘要】：在航空發(fā)動機葉片制造領(lǐng)域,表面完整性對于服役部件在嚴(yán)苛環(huán)境下的工程可靠性和服役壽命有著重要的影響。表面強化技術(shù)能有效提高部件可靠性并延長其服役壽命。且由于其卓越的實用性和經(jīng)濟性,在過去的數(shù)十年間,對該技術(shù)的研究日漸興起。然而,表面強化技術(shù)對材料表面完整性的作用關(guān)系,仍需要大量的試驗數(shù)據(jù)對理論研究作以支撐。表面強化處理能在材料表面誘導(dǎo)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力,同時改變其微觀結(jié)構(gòu)。但部件在服役過程中,由于受到疲勞載荷等外載荷作用,殘余壓應(yīng)力場及微觀結(jié)構(gòu)并不能保持穩(wěn)態(tài),殘余壓應(yīng)力會隨著疲勞載荷的作用發(fā)生釋放,同時其微觀結(jié)構(gòu)也會發(fā)生一定的演化。本文以超聲滾壓為技術(shù)手段,對滾壓后Ti-6Al-4V合金表面完整性及其對疲勞性能的影響展開研究,探討了循環(huán)載荷作用下殘余應(yīng)力的釋放機制,得到了適合超聲滾壓Ti-6Al-4V殘余應(yīng)力釋放的經(jīng)驗?zāi)Ｐ�。論文的主要研究�?nèi)容和結(jié)論如下:(1)進行了不同遍數(shù)的超聲滾壓加工試驗,探討了滾壓遍數(shù)對Ti-6Al-4V合金表面完整性的影響。試驗結(jié)果表明,滾壓遍數(shù)的增加能顯著降低被加工面的粗糙度、提高表面顯微硬度、增加殘余壓應(yīng)力的分布范圍。澄清了超聲滾壓后Ti-6Al-4V合金表面納米晶粒的形成機制,即塑性變形和位錯運動主導(dǎo)的晶粒細(xì)化過程。(2)系統(tǒng)研究了超聲滾壓Ti-6Al-4V合金在應(yīng)力及應(yīng)變控制兩種載荷模式下的低周疲勞性能。結(jié)果表明:在低載荷區(qū)間內(nèi),超聲滾壓對鈦合金應(yīng)力控制和應(yīng)變控制疲勞壽命都有明顯的提升。而在高載荷區(qū),超聲滾壓的作用逐漸減弱。超聲滾壓對材料低周疲勞性能的提高主要體現(xiàn)在裂紋起裂和擴展兩個階段,并分別從粗糙度、殘余應(yīng)力和微觀結(jié)構(gòu)方面做了探討。對比兩種載荷模式的疲勞試驗結(jié)果,發(fā)現(xiàn)超聲滾壓后,在高應(yīng)力區(qū),由應(yīng)力控制疲勞引起的損傷和應(yīng)變控制疲勞引起的損傷差異減小,這主要是由于超聲滾壓后材料的循環(huán)軟化特性減弱。(3)進行了超聲滾壓處理后Ti-6Al-4V合金高周疲勞試驗,發(fā)現(xiàn)超聲滾壓處理未能有效提高Ti-6Al-4V合金高周疲勞壽命。雖然斷口觀察顯示超聲滾壓阻礙了疲勞裂紋從材料表面萌生,但超聲滾壓后的試樣高周疲勞壽命卻沒有提高,這可能是由于高頻率的循環(huán)加載帶來的兩組試樣發(fā)熱差異性導(dǎo)致的。(4)研究了超聲滾壓后Ti-6Al-4V合金在循環(huán)載荷作用下的表面殘余應(yīng)力釋放行為及表面微納結(jié)構(gòu)的演化。采用間斷的應(yīng)變控制和應(yīng)力控制疲勞試驗,研究了超聲滾壓誘導(dǎo)的表面殘余應(yīng)力在不同載荷水平下的釋放規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn):在第一個循環(huán)周次后,所有載荷水平的試樣均發(fā)生了殘余應(yīng)力釋放,而后續(xù)的釋放程度和釋放速率與外加的載荷水平有關(guān)。而且,在循環(huán)載荷作用下,Ti-6Al-4V合金表面的納米晶粒發(fā)生粗化。疲勞過程中的殘余應(yīng)力釋放和表面納米晶粒的粗化都與載荷引起的塑性變形密切相關(guān)。(5)總結(jié)和梳理了現(xiàn)有的循環(huán)載荷殘余應(yīng)力釋放模型,并基于現(xiàn)有模型,結(jié)合本文的殘余應(yīng)力釋放試驗結(jié)果,得到了在循環(huán)載荷作用下超聲滾壓Ti-6Al-4V合金表面殘余應(yīng)力釋放的經(jīng)驗公式。
【圖文】：

Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｃｒｙｓｔａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ邋ｏｆ邋（ａ）邋ａ－邋ａｎｄ邋（ｂ）邋ｐ－ｔｉｔａｎｉｕｍ逡逑麥克格維倫在１９５６年提出根據(jù)退火態(tài)相組成對鈦合金進行分類，該方法稱為古典逡逑的鈦合金分類法，其簡圖如圖１．２所示。這種分類方法將鈦合金分為三種類型：ａ型、逡逑ａ＋Ｐ型和Ｐ型。ａ型鈦合金主要應(yīng)用于化工和加工工業(yè)。這些應(yīng)用行業(yè)中首要考慮的是逡逑合金是否具備優(yōu)秀的抗腐蝕性能和形變能力，而對其高比強性能的要求次之；ａ＋卩型鈦逡逑合金一般具有高強度和高幵性，在航空工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如Ｔｉ－６－６－２，主要應(yīng)逡逑用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機中的高溫零件；�。承外伜辖鹪谶M幾十年的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中的重要性逡逑逐步提高，這類合金因具有較為復(fù)雜的顯微組織結(jié)構(gòu)而具備獲得更高的強度和韌性，，但逡逑密度高、可焊接性適中和抗氧化性能差等因素也限制了該類合金的更廣泛應(yīng)用［６］。逡逑ａ邐Ｍｅｔａｓｉａｂｌｅ邋Ｓｔａｂｌｅ逡逑ａ＋Ｐ邋Ａｌｌｏｙ逡逑Ａｌｌｏｖ邐｜ｉ邋Ａｌｌｏｖ邋ｐ邋Ａｌｌｏｙ逡逑Ｉ邋＼邋ｘ邋ａ４＊ｐ逡逑Ｐ－邋Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ邋Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ逡逑圖１．２邋ｐ穩(wěn)定化元素對鈦合金組織影響示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｐｓｅｕｄｏ－ｂｉｎａｒｙ邋ｓｅｃｔｉｏｎ邋ｔｈｒｏｕｇｈ邋ａ邋Ｐ邋ｉｓｏｍｏｒｐｈｏｕｓ邋ｐｈａｓｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋（ｓｃｈｅｍａｔｉｃａｌｌｙ）逡逑

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【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V231.95

【參考文獻】

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本文編號：2653052