gh169蠕變／疲勞交互作用下裂紋擴(kuò)展研究

1、第 4卷 第 1期 l989 年 1月 航 空 動(dòng) 力學(xué) 報(bào) J o ur n alo fAer os p ac ePowerVO1 ． 4N 0．1J a1 3 ．1 98 9G H 16 9 蠕變 ／ 疲勞 交互 作 用下 裂 紋 擴(kuò) 展 研 究 北 京航 空材 輯研 究所 閻 莉 蔣 文 龍 周 洪 范 摘 要 本 文采 用翻 轉(zhuǎn) 電位 法 ， 研 究 了航 空 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 的 渦輪 盤村 料 G H I 6 9 在 6 5

2、0 。 C ~ , j - 不 同保 持 時(shí) 間 的 蠕 變 疲 勞 交 互 作用 下 的 裂 紋擴(kuò) 展 行 為， 進(jìn)行 了兩 種 不 回預(yù) 測(cè) 模 型 的 比較 ． 并 用 描 電鏡 對(duì) 斷 口作 了微 觀 分 析 。實(shí) 驗(yàn) 結(jié)果 衰 ． 利 用 P a r i s 公 式 擬合 初 始裂 鼓擴(kuò) 展 階段 實(shí) 驗(yàn)數(shù) 據(jù) 時(shí) 相 關(guān)性 差 ．但 雙 曲 正弦 壽 命預(yù) 測(cè) 模 型具 有 良好 的 相 關(guān) 性 及預(yù) 測(cè) 懌 ， 矗這 種

3、模 典 更 為 方 便 實(shí) 用 ． 在 實(shí) 驗(yàn) 中還 發(fā) 現(xiàn) 逐 次 飆 小 載 荷循 環(huán) 增至 大 載 荷循 環(huán) 的裂 絨 擴(kuò) 展速 率 比 一 攻 加載 明 顯 減 顯。一、 弓 i言 航空發(fā)動(dòng)機(jī) 關(guān)鍵 部件渦輪 盤 的使 用壽命 是決定整 體 ( 結(jié)構(gòu) 完整 性 ) 的主要環(huán) 節(jié) 。在渦輪 盤 設(shè) 計(jì) 時(shí) 要 求 給 出很 高 存 活 率 的 壽 命值 ( 即 3值 ) 。 也 就 是 說 在 每 1 0 0 0個(gè) 盤 中 ， 只

4、 允 許 1 ． 3 盤 低 于 設(shè) 計(jì) 循 環(huán) 壽 命 。 因 此 ， 在 已 判 廢 的 盤 中 ， 必 存 有 大 量 盤 件 即 使 未 超 過 設(shè) 計(jì) 壽 命但 仍 被 剔 除 。 從而 造 成很 大 浪 費(fèi) 。而 且 ，有 些 盤 件 即 使 出現(xiàn) 了 裂 紋 ， 但 仍有 一 定 的 裂 紋 擴(kuò) 展 壽 命 。 因 此 ， 只考 慮 裂 紋 形 成 而 不 考 慮 裂紋 擴(kuò) 展 壽 命 無 疑 也 是 一 種 浪 費(fèi) 。所

5、 以 ， 近 年 來 隨 著 斷 裂 力學(xué) 的 發(fā) 展 ， 臺(tái) 裂 紋 體 構(gòu) 件 的乖4 余 壽 命 研 究 已 得 到 了 工 程 界 的 普 遍 重 視 。本文研 究的 目的在于用 斷裂力 學(xué)方法研 究發(fā)動(dòng)機(jī) 渦輪盤 材料在接 近構(gòu)件 實(shí) 際 使 用 條件 下 ， 即蠕 變 ／ 疲 勞 交 互 作 用 下 裂 紋 擴(kuò) 展 規(guī) 律 ， 從 而 建 立 合 理 的斷 裂 判 據(jù) 和 壽 命 估 算 方 法 ． 為航 空 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 渦

6、 輪 盤 部 件 的 設(shè) ‘ 、 選 材 提 出 更 具 說 服 力 的理 論 依 據(jù) 和 實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 。二 、試 驗(yàn) 情 況 1 ．翻轉(zhuǎn) 電位裂紋檢 測(cè)裝 置 高 溫 裂紋檢測(cè) 技術(shù)是獲 得精確 數(shù)據(jù) 的基礎(chǔ) 。 目前常用 的高 溫裂 紋檢測(cè)方 法有直 流電位法 和交流 電位法 。但 直 流 電 位 法 的 缺 點(diǎn) 是 輸 入 電流 大 ， 在 高溫 下 存 在熱 電偶 效 應(yīng)， 且抗干 擾能 力差 交 流 電位法 雖 輸 入

7、電 流 小 ， 但 它 的缺 點(diǎn) 是 存 在 集 膚 效 應(yīng) ， 影 響測(cè) 量 精度 。本 實(shí)驗(yàn) 根據(jù)翻 轉(zhuǎn) 電位 法[ 3 、 4 ] 建立 了 一 套 新 的 裂 紋 檢測(cè) 裝 置 ( 圖 1) 。 該 方 法 吸 收 了直 、 交流 電位 法 的優(yōu) 點(diǎn) ， 克服了二 者的缺點(diǎn) ，可 自動(dòng)消除 因熱 電偶 效應(yīng) 等方 面因素 引起 的 電位 漂 移 ， 從 而 提 高 了裂 紋 檢 測(cè) 精 度 。 該 裝置 可 達(dá) 到 下 列技 術(shù)

8、 指 標(biāo) ： (1) 供 電 電流 翻 轉(zhuǎn) 頻 率 1 ～ 3本文~ ： 1 9 8 8 年 8月收到 。圖 i翻 轉(zhuǎn) 直 流 電 位 皓 裂 紋 檢 測(cè) 系 統(tǒng) 框 圍 維普資訊 http://www.cqvip.com 第 1期 GH1 6 9 蠕 變， 疲 勞交 互 作用 下裂 紋擴(kuò) 展研 究 1 ． d a ／ t i N 與 實(shí) 驗(yàn) 數(shù) 據(jù) 的 獲 得 電 位 法 是 在 試 件 上 通 以 恒 定 的 電 流 ， 隨

9、著 裂 紋 的 擴(kuò) 展 ， 測(cè) 出 靠 近 裂 紋 嘴 二 探 頭 的 電位 變 化 ， 從 而 檢 測(cè) 出 裂 紋 長(zhǎng) 度 。 因 為裂 紋 長(zhǎng) 度 是 根 據(jù) 當(dāng) 時(shí) 的 電位換 算的 ，所 以必須建 立一條標(biāo) 定 曲線 。本 實(shí) 驗(yàn) 采 用 鋁 箔 切 割 法 建 立 的 標(biāo) 定 曲 線 ， 即 V— a曲線見 圖 4。對(duì)實(shí)驗(yàn) 中測(cè)得 的一 系列電位 與對(duì) 應(yīng) 的載 荷 循 環(huán) 周 次 數(shù) 據(jù) 對(duì) ( Vi ，Ni ) 利 用 標(biāo)

10、 定 曲 線 換 算 成 ( a i ， Ni ) 。 按 遞 增 多 項(xiàng) 式 局 部 擬 臺(tái) 求 導(dǎo) 法 采 用 }點(diǎn) 擬 臺(tái) 程 橋 ㈨ 計(jì) 算 出 每 一 試 驗(yàn) 點(diǎn) 對(duì) 應(yīng)的裂紋擴(kuò) 展速率 d a ／ d N ，及相應(yīng) 的應(yīng) 力強(qiáng) 度 因 子 幅 值 AK。 其 中 AK 按 下 列 式 計(jì) 算 ；衛(wèi) I _I ．】 _- ．圖 4兩種尺寸 試樣 的標(biāo) 定曲 線 ( 1 - W =2 0 標(biāo) 定 曲 線 ， z · W

11、 =3 0 標(biāo) 定 曲 線 )△K =× ( 0． 8 8 6+ 4 ． 6 4 d一 13． 3 2 Ⅱ3+14 ． 723—5． 6 口) (1)式 中 ： △P=P ma x—P mi n ， a=a ／ W 因 為 局 部 擬 合 時(shí) 前 三 點(diǎn) 與 后 三 點(diǎn) 無 法 擬 臺(tái) ， 故 本 文 將 原 程 序 修 改 。 在 第 一 個(gè) 試 驗(yàn) 點(diǎn) 前 人 為 加三 點(diǎn) ，令 值 等 于 第 一 點(diǎn) 值 ， 同 樣 ，

12、 在 最 后 一 點(diǎn) 后 也 加 三 點(diǎn) ， 令 值 等 于 最 后 一 點(diǎn) 值 這 樣 就 得 到 全 部 試 驗(yàn) 點(diǎn) 的 d a ／ d N 值 。2 ．計(jì) 算模 型 與 實(shí) 驗(yàn) 曲 線 一 般 認(rèn) 為 d a ／ d N— AK 曲 線 可 分 三 個(gè) 階 段 [ ”每 階 殿 可 近 似 用 P a r i s 公式 描 述 ， 即 ：d a ／ d N=c ( AK)(2)近 年 來 ， 隨 著 蠕 變 ／ 疲 勞 交 互 作

13、 用 下 裂紋 擴(kuò) 展 的 研 究 ， 多 種 預(yù) 測(cè) 模 型 被 提 出。 美 國(guó) P． w 公 司 提 出 了 一種 雙 曲正 弦 壽 命 預(yù) 測(cè) 模 型 ( 1 ] 。 它 的 提 出 是 以 d a ／ d N— AK 在 雙 對(duì) 數(shù) 坐 標(biāo) 下 近 似 呈 雙 曲 正 弦 函 數(shù) 為 依 據(jù) 的 ， 并 被 證 明 能 適 合 任 何 強(qiáng) 度 的材 料 [ 13其 表 達(dá) 式 為；l g d a ／ d N：c1s h ( C

14、 2 ( 1 g AK+C 3 ) ] +C 4(3)其 中 C 1 為 材 料 常 數(shù) ，C2 、 C 。 、 C 4 為 與 應(yīng) 力 比 、 溫 度 、 頻 率、 保 持 時(shí) 間 有 關(guān) 的 常 數(shù) 。本 文 分 別 用 式 (2) 和 (3) 對(duì) 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 處 理 。 實(shí) 驗(yàn) 曲 線 見 圖 5其 中 折 線 為 P a r i s公 式 擬 臺(tái) 結(jié) 果 曲 線 為 雙 曲 正 弦 模 型 擬 臺(tái)結(jié) 果 。l． ·