钛合金室温保载疲劳失效判定方法技术

本发明专利技术公开了一种钛合金室温保载疲劳失效判定方法，属于钛合金疲劳失效技术领域。该方法是利用光学显微镜和扫描电子显微镜对疲劳失效后的断口和断口纵剖面二次裂纹进行观察，根据断口上疲劳裂纹萌生位置、萌生区域特征和纵剖面二次裂纹形貌等信息来综合判定的。本发明专利技术的优点在于，可以准确鉴定钛合金中由保载疲劳行为所导致的失效以及在失效过程中保载疲劳效应强弱。通过制定相关评价标准，可为钛合金保载疲劳行为实验室研究、钛合金保载效应评价及断裂失效分析提供参考。

【技术实现步骤摘要】

:本专利技术涉及钛合金疲劳失效领域，具体涉及一种，该方法能够判定钛合金疲劳失效是否由保载疲劳引起以及保载疲劳效应的强弱。
技术介绍
:钛合金作为一类轻质高强材料，在航空航天领域运用广泛。其中，近α型和α +β型钛合金由于具有优异的抗蠕变和疲劳综合性能被用于制造航空发动机的压气机盘、风扇盘及其叶片等部件。对这些重要部件的疲劳寿命进行准确预测是保证航空器飞行安全的关键。通常，对部件所采用的材料在实验室阶段和平台测试阶段进行疲劳试验获得其疲劳寿命，并根据一定的安全设计法则，得出所制部件的检修或更换周期。因此，实验室或平台测试阶段所反映的疲劳寿命对服役寿命预测的准确度起决定性作用。由于航空器在实际飞行过程中所经历的载荷谱极其复杂，实验室测试阶段常采取简化的三角波形或正弦波形来描述其往复循环的疲劳行为。对于绝大多数材料，三角波和正弦波等疲劳波形不仅简洁可行，而且在反应部件疲劳寿命方面也具有代表性。但利用简化的三角波疲劳波形对于部分钛合金部件进行寿命预测时出现问题，并引发航空事故。最早一次事故发生在上世纪70年代，Rolls-Royce公司提供的RB211发动机上两件由近α型頂1685合金制造的风扇盘在服役过程中发生提前失效。该部件在进入服役前通过了当时所有的疲劳检测标准，而失效时的疲劳寿命严重低于预测寿命。研究很快发现，疲劳寿命预测的严重偏差源自实验测试阶段所采用的疲劳描述波形不准确所致。航空发动机上钛合金部件的室温疲劳不能用普通的三角波形来描述，而应该利用与实际飞行载荷谱更接近的梯形波(在峰值应力下保持一段时间)来评价。随后的实验室研究也证明，提前失效的頂1685风扇盘的梯形波疲劳寿命显著低于普通三角波疲劳寿命。在峰值应力下保持一段时间的梯形波疲劳，便称为保载疲劳。在相同的应力条件下，保载疲劳寿命与普通疲劳寿命相比显著降低的现象称为保载效应。对于这种基于非保载疲劳寿命进行预测存在严重偏离的情况，让航空部门感到忧虑并引起了极大关注。虽然保载疲劳问题较早已被发现，但至今仍未能得到妥善解决。最近一次的保载疲劳事故发生在1997年，加拿大国际航空公司一架从北京飞往温哥华的波音767-375ER客机在起飞过程中左翼发动机突然发生爆炸。事故调查结果表明此次事故为发动机的高压压气机盘发生保载疲劳失效所致。该客机采用的发动机为GE公司提供的CF6发动机，发生失效的部件是由近α型Ti6242合金制造的3?9级高压压气机盘。保载效应的影响因素众多，主要可归纳为外部和内部因素。外部因素包括材料所处的峰值应力水平、保载时间以及峰谷值应力比，增加峰值应力和延长保载时间都会加剧保载效应；内部因素主要为合金类型、合金显微组织及微织构等情况，其中微织构的存在是导致近α型和α+β型钛合金产生保载效应的最直接原因。为应对保载疲劳问题，目前航空界主要采取调整飞行操作规程和更换合金的措施。调整操作规程是为了降低部件运行过程中的峰值应力水平，以减弱保载效应。合金更换则是利用保载效应较弱或不敏感的合金取代保载效应强的合金，如Rolls-Royce公司在RB211发动机出现保载疲劳问题后，采用Ti64取代頂1685合金制造风扇盘。而对于目前运用最为广泛的发动机压气机盘材料??6242合金，人们则希望采用保载不敏感的??6246或Til7合金进行替代。由此可以看出，钛合金保载疲劳问题的出现一直影响着现代航空发动机的设计与制造。航空发动机中实际服役部件所经历的载荷波形变化异常，诸如起飞、巡航、降落、技术操作和突发状况等，这种变幻的载荷波形对于船舶动力、发电设备等也类似。因此，除了航空领域，海洋船舶、石油化工和电力工业等领域也可能出现钛合金保载疲劳失效现象。钛合金保载疲劳失效是一类有别于其他疲劳失效的特殊失效模式。如前所述，保载疲劳影响因素众多，而真正的保载疲劳失效只有在特定的内外因素共同作用下才会出现。准确判定钛合金室温保载疲劳失效行为，对指导保载疲劳的影响因素和机理研究，钛合金选材、组织控制以及最终性能评价都具有重要意义。虽然保载效应的有无及强弱可以从疲劳寿命降低的程度得到最直接的反映，但研究发现影响疲劳寿命降低程度的因素除了保载效应本身，还受其他非保载疲劳机制的因素影响。比如，当疲劳测试的峰值应力选择高于材料的拉伸屈服强度时，保载疲劳寿命也会出现严重降低，但这并不是由保载疲劳机制所引起；另外，除了保载疲劳寿命，寿命降低程度还取决于作为参照的普通疲劳。研究表明普通疲劳寿命受显微组织因素影响也较大，而此处的显微组织因素常有别于影响保载疲劳的组织因素。因此，保载疲劳失效及其效应强弱单从寿命降低的程度来判定变得困难，甚至有时候得出不正确的结论。
技术实现思路
:本专利技术的目的是提供一种，用于判定钛合金疲劳失效是否由保载疲劳所引起以及保载效应的强弱，该方法可以为实验室研究、钛合金保载效应评价及断裂失效分析提供参考。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案:一种，该方法是判定钛合金疲劳失效是否由保载疲劳所引起，判定过程包括如下步骤:(1)利用光学显微镜对疲劳失效后的钛合金断口进行低倍(5?30倍)观察，确定断口上疲劳裂纹的萌生位置；疲劳裂纹的萌生位置通过比较断口上不同区域的相对明暗程度来确定，相对明亮的区域为疲劳裂纹萌生位置；(2)如果疲劳裂纹的萌生位置仅在试样表面，则钛合金疲劳失效不是由保载疲劳引起；如果有疲劳裂纹的萌生位置在试样亚表面或内部，则钛合金疲劳失效可能是由保载疲劳引起；(3)如果有疲劳裂纹的萌生位置在试样亚表面或内部，利用扫描电子显微镜对该疲劳裂纹萌生区域的解理小平面进行观察，根据疲劳裂纹萌生区域解理小平面的形貌特征进一步判定:如果解理小平面的表面光滑，且解理小平面与应力轴夹角为30?60°，则钛合金疲劳失效不是由保载疲劳引起；如果解理小平面具有“人”字形花样、且解理小平面与应力轴夹角为80?100°，则钛合金疲劳失效是由保载疲劳引起。所述的还包括判定保载效应的强弱，判定过程为:如果钛合金疲劳失效是由保载疲劳引起，则在上述步骤⑴观察结果中，断口上由保载疲劳引起的明亮区域所占面积的多少反映保载效应的强弱，所占面积越多保载效应越强。一种，该方法是判定钛合金疲劳失效是否由保载疲劳所引起，具体是根据断口纵剖面的二次裂纹形貌进行判定:如果断口纵剖面的二次裂纹均为与应力轴呈30?60°角度的，则钛合金疲劳失效不是由保载疲劳引起；如果断口纵剖面的二次裂纹存在与应力轴呈80?100°角度的，则钛合金疲劳失效是由保载疲劳引起。所述的还包括判定保载效应的强弱，判定过程为:如果钛合金疲劳失效是由保载疲劳引起，则断口纵剖面存在与应力轴角度为80?100°的二次裂纹的多少(根据长度计算)反映保载效应的强弱，所占比例越多保载效应越强。以上两组，在判定钛合金室温保载疲劳失效问题时，可联合使用、互为印证。钛合金保载效应可分为强、弱和无等情况。对于保载效应强的断口，作为保载疲劳裂纹萌生位置的明亮区域多或者区域较大，同时断口纵剖面与应力轴基本垂直(80?100° )的二次裂纹多；对于保载效应弱的断口，可能为一种疲劳裂纹分别从试样表面和试样内部萌生的混合型断口，且内部萌生的明亮区域较少或小，与此对应断口纵剖面的二次裂纹存在与应力轴倾斜相交(30?60° )和与应力轴基本垂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钛合金室温保载疲劳失效判定方法，其特征在于：该方法是判定钛合金疲劳失效是否由保载疲劳所引起，判定过程包括如下步骤：(1)利用光学显微镜对疲劳失效后的钛合金断口进行低倍观察，确定断口上疲劳裂纹的萌生位置；(2)如果疲劳裂纹的萌生位置仅在试样表面，则钛合金疲劳失效不是由保载疲劳引起；如果有疲劳裂纹的萌生位置在试样亚表面或内部，则钛合金疲劳失效可能是由保载疲劳引起；(3)如果有疲劳裂纹的萌生位置在试样亚表面或内部，利用扫描电子显微镜对该疲劳裂纹萌生区域的解理小平面进行观察，根据疲劳裂纹萌生区域解理小平面的形貌特征进一步判定：如果解理小平面的表面光滑，且解理小平面与应力轴夹角为30～60°，则钛合金疲劳失效不是由保载疲劳引起；如果解理小平面具有“人”字形花样，且解理小平面与应力轴夹角为80～100°，则钛合金疲劳失效是由保载疲劳引起。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邱建科，冯新，马英杰，雷家峰，刘羽寅，杨锐，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21