先进镍基高温合金疲劳损伤的微观机制

通过对FGH96粉末高温合金、DZ125定向凝固高温合金、DD6单晶高温合金大量疲劳断口的断裂特征进行统计分析,研究了这3类镍基高温合金疲劳损伤的微观机制。结果表明,这3类合金疲劳断裂的宏观形貌有较大的区别,但由于这几类合金均为镍基面心立方晶体结构,因此其疲劳损伤断裂具有相同的微观演变规律和断裂机制,即:从疲劳裂纹的萌生至裂纹的快速扩展均是以滑移机制进行;疲劳扩展第1阶段均为类解理特征,疲劳扩展第2阶段为疲劳条带,快速扩展区呈现为滑移面、滑移台阶、韧窝特征。由于其组织和成形工艺的区别,其共同的特征表现的具体形貌有所区别。     

单晶高温合金损伤与断裂特征研究

研究了单晶高温合金在持久、拉伸和低周疲劳条件下的损伤与断裂特征。结果表明:单晶合金高温持久微观断裂方式为沿原始微孔洞扩展的微孔聚集型断裂,中温持久微观断裂方式为微孔聚集型断裂与滑移剪切断裂共存的混合型断裂;高温拉伸首先在内部以微孔聚集型模式开裂,最后阶段以滑移剪切的方式发生断裂,微孔聚集型断裂过程占主要地位,中温拉伸以纯滑移剪切的方式发生断裂,断口由一个平面组成;低周疲劳断裂由裂纹萌生、裂纹稳定扩展和裂纹失稳扩展3个阶段组成。断口呈现多源开裂特征,疲劳裂纹一般萌生于表面。疲劳裂纹扩展初期断口基本与主应力方向垂直,随着疲劳裂纹扩展,断口表现为与主应力约成45°的平面特征。     

粗晶纯Al多晶材料的循环形变——Ⅱ.断口形貌

对粗晶纯Al多晶体的疲劳断口进行了扫描电镜分析,在应变控制循环形变下,晶粒粗大而延性很好的金属的疲劳断口具有某些特征:断裂源少而集中,断裂源附近裂纹呈扇形扩展,疲劳条纹为循环解理刻面,每一条纹由较宽的解理刻面和窄的解理台阶两部分组成,台阶往往由于塑性形变而钝化;在裂纹扩展第Ⅱ阶段的疲劳条纹清晰、连续,布满裂纹扩展第Ⅱ阶段的整个区域,不同水平面形成的条纹间以“麻花形”的条带连接;多处观察到沿条纹形成的二次微裂纹,有些已发展成二次宏观裂纹,并有二次疲劳条纹;在断口上可观察到解理小舌台;断口上无最后拉断的静断区,对疲劳条纹的形成机制进行了初步的探讨。     

CYCLIC DEFORMATION OF COARSE GRAINED POLYCRYSTALLINE PURE Al Ⅱ. FRACTURE SURFACE MORPHOLOGY

对粗晶纯Al多晶体的疲劳断口进行了扫描电镜分析,在应变控制循环形变下,晶粒粗大而延性很好的金属的疲劳断口具有某些特征:断裂源少而集中,断裂源附近裂纹呈扇形扩展,疲劳条纹为循环解理刻面,每一条纹由较宽的解理刻面和窄的解理台阶两部分组成,台阶往往由于塑性形变而钝化;在裂纹扩展第Ⅱ阶段的疲劳条纹清晰、连续,布满裂纹扩展第Ⅱ阶段的整个区域,不同水平面形成的条纹间以“麻花形”的条带连接;多处观察到沿条纹形成的二次微裂纹,有些已发展成二次宏观裂纹,并有二次疲劳条纹;在断口上可观察到解理小舌台;断口上无最后拉断的静断区,对疲劳条纹的形成机制进行了初步的探讨。     

TC17合金等轴组织和网篮组织的高周疲劳断口

本文对比分析了TC17钛合金两种典型组织形态(等轴组织和网篮组织)对高周疲劳断口形貌的影响。结果表明：两种组织的宏观疲劳断口均呈现出脆性断裂的特征,疲劳源区均位于试样表面,但是高周疲劳断口形貌却呈现显著差异,主要表现在宏观粗糙程度和微观形貌特征两个方面。宏观上看,等轴组织的疲劳断口较为平整,疲劳裂纹源区和扩展区的面积占断口面积的比例较大,网篮组织的疲劳断口则非常粗糙,表面起伏较大,疲劳断裂区占断口面积的比例较小。微观上看,两种组织形态的显微组织特征在断口形貌上均有体现,等轴组织的微观断口形貌较为细小,疲劳条带与组织中等轴α相具有相似尺寸;网篮组织的疲劳断口上可以看到α片层交织的形貌特征,二次裂纹遍布裂纹扩展的各个阶段,疲劳条带与等轴组织中的条带特征也有较大差异。     

TC4钛合金宽幅厚板材组织结构、织构及疲劳性能研究

针对工业化生产工艺条件下的TC4钛合金宽幅、厚板材(δ150 mm),研究了板材边部、1/4板厚和心部位置微观组织结构、织构分布特点、疲劳性能及其疲劳断口特征。结果表明:TC4厚板材不同部位显微组织呈现初生α相+β转的双态组织形貌,由边部到心部,初生α相由等轴趋于等轴+条状形态,相比较边部,越靠近中心,初生α相形态趋于平行于轧面且初生α相尺寸相对较大;同一板厚不同位置α相微区织构明显不同,边部主要含有{3213}、{2130}弱织构组分,1/4板厚位置主要含有{0221}、{1011}和{1215}织构组分,心部主要含有{1100}、{1010}和{1430}强织构组分;板材边部疲劳极限为605 MPa、1/4板厚位置疲劳极限为440 MPa、心部疲劳极限为440 MPa。板材边部位置疲劳性能明显优于1/4板厚位置和心部位置,疲劳极限相差约165 MPa。疲劳试样断口由裂纹源区Ⅰ、裂纹扩展区Ⅱ和瞬断区Ⅲ3个不同区域组成。随着应力强度的降低,裂纹扩展区面积呈逐渐增加的规律。     

ACL50型轴流压缩机动叶片失效分析

ACL50型轴流压缩机叶片在运行过程发生失效。为探究叶片失效的原因,避免类似情况出现,采用宏观断口分析、金相组织观察、力学性能检测及断口微观分析,对失效的叶片进行了研究。结果表明:该断口为典型的疲劳断口,且裂纹源区有多个裂纹源存在。当叶片受力趋于稳定不再有新裂纹源产生时,榫齿上的裂纹开始扩展,引起叶片的失稳,并最终导致了叶片的断裂。     

不同伸长率多晶Be室温拉伸断口分析

通过扫描电镜系统分析了伸长率5%和零伸长率多晶Be室温拉伸断口形貌。发现多晶Be无论伸长率高低,拉伸断口均平整、无颈缩;断口宏观形貌分纤维区和放射区,微观形貌既有裂纹沿一定结晶学表面扩展形成的解理断裂特征,又有一定塑性变形产生的撕裂棱,属准解理断口。但是,伸长率5%的多晶Be断口纤维区和放射区界限不清晰,放射花样细小且走向多变,断口没有明显的主裂纹源,断裂是由多个裂纹源汇合所致。而零伸长率多晶Be断口纤维区和放射区界限清晰,放射花样粗大且走向单一,并且纤维区占整个断口比例极小,放射花样则几乎遍布断口通区,断口上可见明显的主裂纹源,主裂纹源中心往往存在某种组织缺陷,断裂主要是单一裂纹扩展所致。这表明多晶Be的伸长率主要来自于裂纹形核阶段,微观组织缺陷造成裂纹过早地达到临界裂纹扩展尺寸,是导致多晶Be材室温伸长率降低的主要原因。     

GH625和GH536变形高温合金焊接的疲劳裂纹扩展速率分析

测定GH625和GH536变形高温合金在室温下的疲劳裂纹扩展速率,分析合金疲劳裂纹扩展速率与断口特征以及微观组织的关系。结果表明:应力强度因子幅ΔK较小时GH625合金焊缝处的疲劳裂纹扩展速率小于母材,ΔK较大时焊缝处的疲劳裂纹扩展速率较快;在裂纹稳定扩展阶段,GH536合金热影响区的疲劳裂纹扩展速率大于母材;GH625和GH536合金母材断口裂纹扩展区可见明显的疲劳条带特征,而焊缝中心裂纹扩展区以类解理特征为主;GH625和GH536合金焊接部位的疲劳裂纹扩展速率的快慢受焊缝或热影响区内部的析出物影响较大。     

镍基单晶高温合金530 ℃低周疲劳性能及断裂机制

对镍基单晶高温合金在530℃的低周疲劳断口及断裂损伤机制进行研究。结果表明：在530℃时,单晶高温合金低周疲劳裂纹一般萌生于试样表面、亚表面或内部。亚表面存在铸造缺陷时裂纹从缺陷处起源。在大应变幅（>0.85%）条件下,合金在疲劳循环过程中表现出明显的循环硬化行为,应变幅低于0.85%时循环应力响应曲线基本趋于稳定。镍基单晶高温合金主要通过滑移产生变形,在530℃合金主要通过八面体滑移机制进行断裂,主滑移系为{111}<110>。分析断口特征可知,断口在源区附近未见明显塑性变形,稳定扩展区可见疲劳条带特征,快速扩展区在滑移台阶处存在大量交叉滑移带。通过电子背散射衍射分析发现,不同滑移面交界处的断口表面存在明显塑性变形,靠近断口表面的γ基体及立方γ’相变形严重。该温度下疲劳断口表面未见明显氧化特征。     

TiAl低压涡轮叶片室温振动疲劳行为研究

基于TiAl低压涡轮叶片夹持榫头室温振动疲劳试验结果,分析总结TiAl低压涡轮叶片室温振动疲劳的行为特点。结果表明:叶片存在两种断裂位置,大多数叶片由榫槽底部高应力截面断裂,个别叶片由叶身铸造缺陷处断裂;叶片室温振动疲劳寿命具有较大分散性,疲劳寿命主要取决于裂纹萌生阶段的贡献,试验应力水平下叶片粗大的片层组织的尺寸、数量和分布位置会显著影响疲劳寿命,并增加疲劳寿命的分散性;叶片室温疲劳具有较高的缺陷敏感性,叶身排气边亚表面存在尺寸约0.4 mm的Al₂O₃、Y₂O₃铸造夹渣,改变了叶片的断裂位置和起源方式,形成亚表面铸造缺陷起源,并在源区附近出现沿晶断裂和光滑刻面特征,沿晶特征与等轴晶粒对应。     

发动机低压涡轮导向叶片裂纹分析

低压涡轮导向叶片是发动机中重要热端部件之一,叶片在高温燃气环境下工作,服役条件十分恶劣。发动机工作结束后,发现低压涡轮导向叶片表面存有裂纹和基体缺失现象。通过外观检查、断口宏微观分析、材质分析、气膜孔检查及热模拟试验等手段,对低压涡轮导向叶片的裂纹性质及萌生原因进行分析研究。结果表明:故障低压涡轮导向叶片的裂纹性质为疲劳裂纹,叶片在工作过程中热障涂层脱落,导致叶片组织超温,使其抗疲劳性能下降并萌生疲劳裂纹。     

九级整流叶片断裂分析

某型发动机经150h长期试车（总工作时间大约为170h）,之后进行3次喘振试验,分解后发现九级整流叶片断裂。对叶片断口的宏、微观特征进行分析,对断裂叶片的成分、硬度、金相组织进行检查,并进行叶片振动计算和测频分析。结果表明：九级整流叶片断裂是由于其U型槽与叶背交接处有一棱边,叶片最大的受力位置正是该处,加之棱边局部打磨不圆滑,在源区附近存在加工刀痕,在该处形成了应力集中的疲劳源,最终导致叶片发生疲劳断裂。     

发动机自由涡轮叶片裂纹分析

发动机在持久试车例行定检孔探时发现自由涡轮叶片上有一条疑似穿透性裂纹,通过对其进行磁流、荧光检测发现,在一叶片尾缘处有一条长度为5~7 mm的裂纹。对发动机进行分解、零件荧光检测发现多片叶片均存在裂纹。采用宏观检查、断口分析、金相剖切等手段,对裂纹叶片开裂性质进行确认,并对自由涡轮叶片的开裂原因进行分析及验证。结果表明,自由涡轮叶片裂纹性质为疲劳开裂。采用有限元软件对自由涡轮叶片进行振动计算及载荷谱复查,结果表明,由于试车载荷谱发生改变,转子与叶片在工作转速范围内形成共振,造成叶身高阶弯曲疲劳裂纹。     

燃气涡轮起动机离心叶轮叶片断裂分析

燃气涡轮起动机长试到某一阶段,分解检查发现离心叶轮排气边叶片断裂。采用外观观察、断口宏微观观察、组织检查及硬度检测等方法对该断裂叶片进行原因分析。结果表明:离心叶轮排气边叶片断裂性质为高周疲劳,可能与叶盘振动有关。对离心叶轮进行振动特性计算,绘制用于振动分析的坎贝尔图,经分析,离心叶轮在设计转速附近存在高阶高频耦合共振、激振载荷较强,两者共同作用导致叶片断裂。     

发动机风扇静子叶片裂纹失效分析

针对发动机风扇静子叶片出现裂纹故障进行失效分析。通过对故障叶片进行外观检查、断口分析、表面形貌检查、截面金相检查、材质分析及断口区域成分分析,并对叶片上缘板排气边转接区域的应力分布进行计算,确定了叶片裂纹性质和产生原因。结果表明:故障风扇静子叶片上缘板转接区域裂纹为高周疲劳性质,导致叶片过早出现疲劳裂纹的主要原因是机匣与上缘板焊接的热影响区进入叶片上缘板排气边转接处的应力集中区;同时叶片工作时受到的振动载荷也加速了疲劳裂纹的产生。并由此提出增加叶片上缘板排气边转接区和焊缝距离的改进建议。     

球墨铸铁行星架断裂原因分析

球墨铸铁行星架在使用过程中发生断裂,断裂位置位于两行星孔之间。通过宏观观察、微观观察、力学性能等分析手段对行星架进行综合研究和分析,确定了行星架的断裂模式为疲劳断裂,疲劳扩展较充分,未发生局部受力过大的现象,开裂位置存在缩松缺陷。缩松缺陷的存在切断了材料内部的连续性,造成断裂部位的强度降低,使得零件在未达到材料的疲劳强度前就萌生裂纹,尤其是受周期性交变载荷的零件。同时,由于材料缩松严重,在零件表面出现,使得零件表面该缺陷位置的应力集中系数急剧增加,过早地萌生疲劳裂纹,造成零件早期疲劳失效。     

GH4037合金I级涡轮叶片断裂失效分析

某发动机在服役过程中，有7片I级涡轮叶片连续发生断裂或开裂。本文对断裂的叶片进行了断口宏微观观察、化学成分分析、金相组织检查、性能试验以及叶片排气边R检查。结果表明，叶片的断裂性质为高周疲劳断裂。断裂叶片的化学成分和力学性能符合技术条件的要求；叶片的疲劳源区未发现夹杂等冶金缺陷。7片叶片的断裂位置均在距离榫头底部62mm-67mm处，该位置是四阶振动的最大应力点，叶片的断裂与四阶振动有关。     

发动机涡轮叶片断裂故障分析

发动机在工作过程中突然停车,检查发现低压涡轮转子叶片全部损伤,高压涡轮叶片均齐根折断。通过对高低压涡轮叶片断口特征进行宏观检查分析,确定了首断件及其断裂性质为疲劳断裂;对首断件叶片断口进行显微分析,研究了断裂特征和疲劳扩展情况;断裂的原因为叶片上下缘板总间隙在使用过程中变大,阻尼效果变差,叶片异常振动,离心应力叠加振动应力,致使叶片在工作过程中断裂。     

发动机风扇转子叶片叶身裂纹分析

发动机风扇转子叶片叶身中部区域过早产生一条裂纹。通过对故障叶片进行外观检查、断口分析、表面检查、材质分析等试验手段,确定了故障叶片裂纹性质及开裂机理。结果表明:故障风扇转子叶片裂纹为起源于叶身中部叶背侧亚表面的高周疲劳裂纹;裂纹疲劳源区附近基体组织不均匀,且存在较多的长条状初生α相,降低了叶片的疲劳性能,是导致该叶片叶身中部过早开裂的主要影响因素。改进措施为控制锻造温度并保证毛坯变形量,避免长条状初生α相的形成。