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应力比对钛合金快速成型材料疲劳性能影响的研究

作　者: 李晓慧
导　师: 张亦良
学　校: 北京工业大学
专　业: 固体力学
关键词: 疲劳极限疲劳寿命曲线应力比置信度可靠度
分类号: TG146.23
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

钛合金快速成型（TiAlRP）是近年来提出的最具独创性的工艺，开辟了钛合金成型研究新领域，并以其短周期、低成本、材料利用率高等突出优势受到航空领域的高度关注。TiAlRP材料具有退火强度高、极佳的淬透性、易于加工复杂结构零件等优势，适合制造各种高负载承力航空结构件。然而TiAlRP工艺下材料疲劳性能的研究还比较匮乏。由于TiAlRP构件在工作状态下需要承受不同应力比下的交变应力，失效形式主要为疲劳失效，因而研究应力比对TiAlRP试样疲劳特性影响十分重要。本文根据裂纹扩展速率与疲劳寿命的积分关系，以两种疲劳寿命数学模型为基础，对应力比(R)与疲劳寿命曲线(S-N)的关系进行了系统研究，提出了考虑应力比的疲劳寿命(R-S-N)数学模型。利用定量方程随机化方法，建立了不同可靠度(P)及置信度(g)下的(P-g-R-S-N)数学模型。在理论研究的基础上，本文以TiAlRP试样为研究对象，进行了3种应力比（132根试样）的疲劳试验，得出3个应力比的疲劳极限，应用“应力幅值寿命模型”及“三参数寿命模型”，得到6条S-N曲线。根据本文提出的修正公式，建立了适用TiAlRP材料的两种R-S-N数学模型，考虑可靠度及置信度的影响，拟合出两种数学模型的P-g-R-S-N，为了方便工程应用，给出了典型应力比下两种传统疲劳模型的寿命评定图。结果表明：（1）疲劳极限：应力比与疲劳极限为正比关系，应力比由0.06提高到0.5，疲劳极限提高20%。Goodman理论可以准确预测不同应力比下的疲劳极限，预测值低于试验真实值，其误差在6%以内。（2）疲劳寿命曲线：采用“应力幅值”和“三参数”疲劳寿命模型、根据大量实验数据得到的6条S-N曲线表明：应力幅值寿命模型可对中等疲劳寿命区进行准确预测，而三参数寿命模型更适合中长寿命区域的预测。（3）本文提出的两种R-S-N数学模型可准确预测任意应力比下的疲劳曲线。依据三个应力比实验数据得到的R-S-N模型，与在一定应力比下实际测定的疲劳寿命曲线对比，同等寿命下最大应力误差分别为7%及1%，可见理论修正模型具有较高的工程实用性。（4）利用定量方程随机化方法，考虑置信度、可靠度的影响，建立TiAlRP材料的P-g-R-S-N数学模型，给出了18个常用的数学方程及典型应力比下的寿命评定图，为工程技术人员的疲劳设计与寿命评估提供了应用方便。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-18
  1.1 研究背景  10-11
  1.2 国内外的研究现状  11-14
    1.2.1 疲劳发展概述  11-12
    1.2.2 关于应力比对疲劳寿命影响的理论研究  12-14
  1.3 研究目的和意义  14-15
  1.4 研究思路  15-16
  1.5 研究内容及方法  16
  1.6 创新点  16-18
第2章考虑应力比疲劳寿命数学模型的理论研究  18-33
  2.1 高频疲劳试验的专业基础理论  18-23
    2.1.1 疲劳寿命的统计基础  18-20
    2.1.2 疲劳可靠性试验的基本原理和术语  20-23
  2.2 疲劳可靠性试验的方法  23-26
    2.2.1 升降法实验原理  23-25
    2.2.2 疲劳寿命曲线的测试与数学模型  25-26
  2.3 建立 R-S-N 曲线的修正模型  26-32
    2.3.1 建立 R-S-N 修正模型  27-28
    2.3.2 建立不同置信度和可靠度的 P -g -R-S-N修正模型  28-32
  2.4 本章小结  32-33
第3章 TiAlRP 材料疲劳试验  33-49
  3.1 试验方案  33
  3.2 疲劳试样  33
  3.3 实验条件  33-34
  3.4 实验设备  34-35
  3.5 实验结果  35-41
    3.5.1 疲劳极限  35-39
    3.5.2 疲劳寿命实验  39-41
  3.6 讨论  41-46
    3.6.1 关于疲劳极限的讨论  41-44
    3.6.2 关于疲劳寿命的讨论  44-46
  3.7 本章小结  46-49
第4章应力比对疲劳性能影响的综合分析  49-67
  4.1 TiAlRP 试样的 R-S-N 模型  49-51
    4.1.1 TiAlRP 试样的 R-Sa-N 模型  49-51
    4.1.2 TiAlRP 试样的 R-Smax-N 模型  51
  4.2 两个修正模型与测试曲线的实用性分析  51-53
    4.2.1 R-Sa-N 分析  51-52
    4.2.2 R-Smax-N 分析  52-53
  4.3 两个常规模型的特征及适用范围  53-56
    4.3.1 应力幅值寿命模型的特征  53-54
    4.3.2 三参数寿命模型的特征  54-55
    4.3.3 两个数学模型的适用范围  55-56
  4.4 考虑概率统计的 TiAlRP 试样 R-S-N 模型  56-60
    4.4.1 可靠度对 TiAlRP 试样的 Sa-N 模型的影响  56-58
    4.4.2 可靠度对 TiAlRP 试样 R-Smax-N 模型影响  58-60
  4.5 可靠度与置信度对 TiAlRP 试样 R-S-N 模型影响  60-63
    4.5.1 可靠度与置信度对 TiAlRP 试样 R-Sa-N 模型影响  60-61
    4.5.2 可靠度与置信度对 TiAlRP 试样 R-Smax-N 模型影响  61-63
  4.6 工程应用  63-65
    4.6.1 TiAlR 试样应力幅值疲劳寿命评定图  63-64
    4.6.2 TiAlR 试样三参数应力寿命评定图  64-65
  4.7 本章小结  65-67
结论  67-69
参考文献  69-73
附录 A  73-75
攻读硕士学位期间所发表的学术论文  75-76
致谢  76

应力比对钛合金快速成型材料疲劳性能影响的研究

内容摘要

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