TC21钛合金损伤容限性能研究

论文摘要

TC21钛合金是一种新型的损伤容限型两相（α+β）钛合金,在高性能航空及航天飞行器结构件制造中有着巨大的应用前景。为了适应飞机损伤容限设计准则的要求,必须对其损伤容限性能进行研究。断裂韧性、裂纹扩展速率和裂纹扩展门槛值是表征损伤容限性能的重要指标,尤其是微观组织对损伤容限性能的影响,值得开展深入的研究。本文针对TC21钛合金断裂韧性、裂纹扩展速率及裂纹扩展门槛值的定量模型进行研究。主要工作如下:首先,根据断裂力学的基本理论,在线弹性条件下将四个常用的断裂判据之间的关系联系了起来。通过定量金相技术测量了不同热处理制度下得到的网篮组织的特征参数。在分析特定组织参数对TC21钛合金的断裂韧性影响的基础上,建立了TC21钛合金断裂韧性依赖于其网篮组织α相宽度、α束域宽度和材料参数的数学模型,将为先进钛合金的创研和工业应用提供宝贵的理论基础和设计借鉴。其次,由于疲劳寿命公式是构件损伤容限设计、疲劳寿命估算的主要依据,且可由疲劳裂纹扩展速率公式通过积分变换得到。因此,选择合适的疲劳裂纹扩展速率公式是对构件进行损伤容限设计的关键。针对TC21钛合金的裂纹扩展数据,选择能够同时描述裂纹扩展三个阶段的模型,采用最小二乘法和回归分析拟合得到模型中的参数,为该合金构件的损伤容限设计提供依据。最后,在损伤容限设计中另一个不可或缺的参数是裂纹扩展门槛值。各种各样的裂纹闭合机制,如:裂纹偏转引起的闭合效应、粗糙度引起的闭合效应、裂纹尾迹塑性引起的闭合效应及氧化物引起的闭合效应等,是影响裂纹扩展门槛值的重要因素。定量地研究与分析这些因素对TC21钛合金裂纹扩展门槛值的影响,具有重要的理论价值和工程意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 损伤容限型钛合金的发展与应用
• 1.3 高强高韧损伤容限型TC21 钛合金
• 1.4 TC21 钛合金的微观组织与性能
• 1.5 TC21 钛合金网篮组织与损伤容限性能
• 1.6 选题背景及论文的主要内容
• 1.6.1 选题背景及意义
• 1.6.2 本课题主要的研究内容
• 第二章 TC21 钛合金力学与金相试验
• 2.1 试验材料
• 2.2 试验方案
• 2.3 室温拉伸试验
• 2.4 平面断裂韧性试验
• 2.5 疲劳裂纹扩展速率和疲劳裂纹扩展门槛值测试
• 2.6 金相试验及微观组织参数测量
• 2.6.1 金相试验步骤
• 2.6.2 网篮组织组织参数的测量
• 第三章 TC21 钛合金断裂韧性与微观组织关系模型
• 3.1 引言
• 3.1.1 K 判据
• 3.1.2 G 判据
• 3.1.3 J 判据
• 3.1.4 δ判据
• 3.2 TC21 钛合金试验结果及分析
• 3.2.1 微观组织测量结果与误差分析
• 3.2.2 TC21 钛合金力学性能测试结果与分析
• 3.3 TC21 钛合金断裂韧性模型的建立
• 3.3.1 微观组织参数对断裂韧性的影响
• 3.3.2 TC21 钛合金断裂韧性模型
• 3.3.3 模型预测结果与分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 TC21 钛合金疲劳裂纹扩展速率模型
• 4.1 引言
• 4.2 疲劳裂纹扩展的物理模型
• 4.2.1 疲劳裂纹的扩展
• 4.2.2 Laird-Smith 裂纹扩展模型
• 4.2.3 “弱点”凝聚模型
• 4.3 疲劳裂纹扩展的数学模型
• 4.3.1 Paris 裂纹扩展模型
• 4.3.2 Forman 裂纹扩展模型
• 4.3.3 Elber 模型及其改进
• 4.4 TC21 钛合金裂纹扩展速率模型
• 4.4.1 模型介绍
• 4.4.2 拟合结果与误差分析
• 4.5 裂纹扩展速率模型的验证
• 4.6 本章小结
• 第五章 TC21 钛合金疲劳裂纹扩展门槛值模型
• 5.1 引言
• 5.2 外在机制引起的裂纹闭合效应
• 5.2.1 塑性诱发裂纹闭合效应
• 5.2.2 裂纹面粗糙度引起的闭合效应
• 5.2.3 裂纹偏转引起的闭合效应
• 5.2.4 氧化物引起的闭合效应
• 5.3 CHAN 模型在TC21 钛合金裂纹扩展门槛值上的应用
• 5.3.1 Chan 提出的裂纹扩展门槛值模型
• th , in'>5.3.2 TC21 钛合金的内在裂纹扩展门槛值ΔK_{th , in}
• th'>5.3.3 TC21 钛合金裂纹扩展门槛值ΔK_th
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 后续工作及展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文