1、發(fā)動機(jī)葉片高周疲勞失效分析090605鮑海濱摘要：為了降低航空發(fā)動機(jī)葉片的高循環(huán)疲勞失效。分析了導(dǎo)致髙循環(huán)疲勞失效的原因、 失效準(zhǔn)則，以及一種研究材料多軸高周疲勞的新途徑。關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機(jī)葉片高循環(huán)疲勞失效1引言航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)完整性和可靠性設(shè)計(jì)，對滿足現(xiàn)代髙性能航空發(fā)動機(jī)高推重比（髙功 質(zhì)比）、髙適用性、髙可靠性、耐久性和低成本的要求起著至關(guān)重要的作用。采用先進(jìn)的 氣動設(shè)計(jì)和先進(jìn)結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝是現(xiàn)代髙性能航空發(fā)動機(jī)最重要的特征，而無論是 先進(jìn)的氣動設(shè)訃，還是先進(jìn)的結(jié)構(gòu)、材料和工藝，都必須建立在結(jié)構(gòu)完整性和可靠性的基 礎(chǔ)上。航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)完整性和可靠性方而的不足嚴(yán)重地制約著在研發(fā)動機(jī)的研

2、制目標(biāo)和周 期。在中國航空發(fā)動機(jī)研制過程中，科研人員最深刻的體會是，相對而言實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)性能指 標(biāo)的周期要短一些，也有一些有效的辦法，而大量的結(jié)構(gòu)完整性和可靠性問題特別是葉片斷 裂故障卻顯著地影響著發(fā)動機(jī)的質(zhì)量和設(shè)訃定型的周期。導(dǎo)致葉片斷裂失效的原因是多方而的"V,根據(jù)不同的參考標(biāo)準(zhǔn)和參量，疲勞斷裂二級 失效模式如圖1所示據(jù)統(tǒng)計(jì)，在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中，由髙循環(huán)疲勞引發(fā)的事故約占總事故的25%。因此，最 大限度地降低航空發(fā)動機(jī)葉片髙循環(huán)疲勞失效是最現(xiàn)實(shí)、亟待解決的任務(wù)。根據(jù)頻率高頻疲勞斷裂低頻疲勞斷裂疲 勞 斷 裂 失 效根據(jù)應(yīng)力大小_高周廉?dāng)嗔袸低周疲勞斷裂_ tM r應(yīng)力疲勞斷裂4艮據(jù)

3、損傷控制參里t應(yīng)變疲勞斷裂機(jī)械疲勞斷裂一根據(jù)溜蝕介丿貞'腐蝕疲勞斷裂r 低溫疲勞斷裂木艮據(jù)溫度一室溫疲勞斷裂I高溫疲勞斷裂機(jī)械疲勞斷裂根據(jù)應(yīng)力來源I.熱疲勞斷裂廠剪切型疲勞斷裂 根據(jù)宏觀裂紋走向一I正斷型疲勞斷裂拉一壓疲勞斷裂 彎曲疲勞斷裂 扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂 接觸疲勞斷裂-穿晶型疲勞斷裂-根據(jù)微觀裂紋走向I沿晶型疲勞斷裂晶格型 I非晶格型圖1疲勞二級失效模式分類2高周疲勞失效的影響因素2.1需義應(yīng)力的影響很早的時候就確認(rèn)拿義應(yīng)力會引起失效。125年前WohlerE，:發(fā)現(xiàn)隨著劣義拉應(yīng)力的增加 引起失效的交變應(yīng)力幅將隨之減少。后來Gerber提出拋物線關(guān)系理論，即應(yīng)力幅與名義 應(yīng)力間存在著拋

4、物線關(guān)系，相應(yīng)于零幅值交變應(yīng)力的名義應(yīng)力極限等于材料的拉伸極限。 Goodmen用對稱交變應(yīng)力和劃義應(yīng)力的線性關(guān)系代替拋物線關(guān)系增加了設(shè)汁的安全裕度。事 實(shí)上，設(shè)汁中很多有疲勞極限低于此直線值，Goodmen曲線實(shí)為一種保守設(shè)計(jì)。血Iler用循 環(huán)應(yīng)力代替但相對屈服應(yīng)力對這一理論作了另一種解釋。令人驚訝的是，這些理論中的關(guān)系式?jīng)]有一條被試驗(yàn)驗(yàn)證。而我們卻已把這些理論廣泛 用于工程實(shí)際，因此使用諸如Goodmen這些保守理論并非有什么不合理。還有一種情況我們 引起注意，即壓應(yīng)力并不減少改變許用的交變載荷。事實(shí)上，平均壓應(yīng)力常會增加疲勞強(qiáng)度, 所以對于設(shè)計(jì)汁算，疲勞強(qiáng)度考慮成與零平均應(yīng)力的疲勞強(qiáng)度

5、相一致。2. 2表面光潔度疲勞裂紋主要生產(chǎn)在材料的自由表而，因此表而因素的性質(zhì)舉足輕重。經(jīng)機(jī)械加工的表 而特性，我們考慮以下三種因素：（1）不規(guī)則的表而劃傷或表面粗糙度（2）表層中有殘余應(yīng)力（3）塑性變形和材料表而的微觀結(jié)構(gòu)1）表而粗糙度機(jī)械加工表面的粗糙度可用輪廓度計(jì)量，一般表示為偏離中心線的平均 值（CLA）現(xiàn)在常用Ra值表示，Ra值的范圍從0. 25的研磨光潔度至7. 5微米的車削 光潔度。比較車削或者粗研與細(xì)研或拋光表而，對碳鋼，表面粗糙度使疲勞強(qiáng)度降低大 約102概，而對髙強(qiáng)度鋼，表而租糙度的影響更加明顯。2）殘余應(yīng)力噴丸能夠改變零件的疲勞強(qiáng)度已經(jīng)被證實(shí)。由于它對表而光潔度影響不大，

6、 很明顯噴丸的引入是增加表而殘余壓應(yīng)力有良性作用。所以表面殘余應(yīng)力狀態(tài)對疲勞強(qiáng) 度有重要改善。3）塑性變形和微觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)影響材料的疲勞特性廣為人知，晶粒大小的影響更為重 要。然而在大型轉(zhuǎn)子的制造過程中，考察材料基體是否變異的渠逍少得可憐，而結(jié)構(gòu)的 選擇考慮常常依附于從鍛造到如何加工至最后形狀相聯(lián)系的工藝難易程度。2.3尺寸、應(yīng)力梯度由于設(shè)計(jì)引起的應(yīng)力集中影響尺寸影響被說成一種或多種因素，但最為人們接受的是如下觀點(diǎn)：1）應(yīng)力梯度影響：很淸楚對于有同樣表而應(yīng)力的轉(zhuǎn)軸，直徑大的則應(yīng)力梯度小，一旦疲勞 萌生于次表層的危險區(qū)域內(nèi)，那么大型轉(zhuǎn)軸剛處于非常高的劃義應(yīng)力水平，繼而疲勞強(qiáng)度降 低。這種解釋適

7、用于沒有拉一壓狀況。2）概率影響：因?yàn)槠诿壬诒矶∪跆幎鴱?qiáng)度受表而面積影響，所以面積愈大，強(qiáng)度愈 低。不管平板試件的疲勞強(qiáng)度受尺寸影響的真實(shí)情況如何，人們都相信切口平板試件的疲勞 強(qiáng)度與尺寸關(guān)系甚為密切，小試件的最髙疲勞強(qiáng)度趨干平板無切口試件的強(qiáng)度。最大試件的 強(qiáng)度趨于深切口敏感狀態(tài)的強(qiáng)度，即疲勞強(qiáng)度為。/Kt , 中c是無切口平板的疲勞強(qiáng)度, Kt為應(yīng)力集中系數(shù)。2. 4環(huán)境影響人們在許多年前就知逍環(huán)境是影響金屬疲勞強(qiáng)度的重要因素。英影響分為兩類，其一是 疲勞強(qiáng)度的變化不受材料表而嚴(yán)重的腐蝕影響；其二是強(qiáng)度變化由腐蝕或蝕點(diǎn)引起。第二類情況很難用實(shí)驗(yàn)左量分析，因?yàn)楦g貫穿于試件壽命的始終，

8、也即許多年，而一般疲勞試驗(yàn)幾個小時就完成了。另外，腐蝕疲勞的特性與空氣中的試驗(yàn)不一樣.它的SN曲線常常是趨于連續(xù)向下，甚至在10'個循環(huán)下也是如此，即沒有疲勞極限。2. 5微動影響眾所周知，微動使得材料的疲勞強(qiáng)度急劇下降，例如用En 26鋼(0.43C, 2. 56 Ni,0. 62 Cr , 0. 54 Mo ),熱處理至強(qiáng)度極限為1043MPa ,發(fā)現(xiàn)苴微動疲勞強(qiáng)度降至±32【Pa, 即僅為拉伸極限的3.1 % ,或者說無微動棒的疲勞強(qiáng)度的1/17 o比較公允的事實(shí)是相對 滑移幅在8-14X10"3亳米的范用內(nèi)時，疲勞強(qiáng)度下降最低。3高周疲勞失效準(zhǔn)則1) Gou

9、gh準(zhǔn)則的Lee修正式亠RJb)ASa!t)A貝中A二2 (1+BsinU), Ra, Sa分別為分別為彎曲正應(yīng)力幅和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力幅，b是指左壽 命N下的彎曲疲勞極限，t是指定壽命N下的剪切疲勞極限，U為非比例加載時彎曲和扭轉(zhuǎn) 的相位差，B為材料常數(shù)。該準(zhǔn)則在比例加載與非比例加載下均適用，比例加載條件下，Lee 修正式即Gough準(zhǔn)則。2) Crossland 準(zhǔn)則其中K = 3g/九一1/V?),K=g，丿2“為應(yīng)力偏量第二不變的幅值，R葉,R-分 別為第一應(yīng)力不變疑的幅值和均值，心，Zm分別為材料在對稱扭轉(zhuǎn)和彎曲時的疲勞強(qiáng)度。該準(zhǔn)則適用于兀/2|的金屬材料。3) Mcdiarmid 準(zhǔn)則；式中

10、心叭為臨界而上的剪切應(yīng)力幅和最大正應(yīng)力，匚分別為出現(xiàn)拉伸(剪切) 破壞時的剪切疲勞強(qiáng)度為材料在拉伸時的疲勞強(qiáng)度。通過對EN24T鋼的管狀試件進(jìn)行彎 扭實(shí)驗(yàn)表明，該準(zhǔn)則在比例和非比例兩種情況下都適用。4) Papadopoulos 準(zhǔn)則C = t2p /?a，：分別為彎曲正應(yīng)力幅和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力幅，分別為第一應(yīng)力不變量的幅值和均值，t2l,紜分別為材料在對稱扭 轉(zhuǎn)和彎曲的疲勞強(qiáng)度。該準(zhǔn)則適用于/©的金屬材料。5) Susmel準(zhǔn)則式中S；為最大剪應(yīng)力平而上的剪切應(yīng)力幅，心小狄為臨界而上的最大正應(yīng)力，S"為扭 轉(zhuǎn)疲勞極限凡廠為拉伸疲勞極限。該準(zhǔn)則在比例加載與非比例加載下均適用。6)

11、Liu準(zhǔn)則他ffilHI其中k = 9/43-(r2I/f21)2, Rx , S I分別為臨界面上的正應(yīng)力幅、剪應(yīng)力幅、靜水應(yīng)力幅。t21, 分別為材料在對稱扭轉(zhuǎn)和彎曲的疲勞強(qiáng)度。該準(zhǔn)則適用于/©的金屬材料。4研究高周疲勞的方法目前，確左葉片的疲勞壽命，從應(yīng)力疲勞的角度講，主要借助于應(yīng)力一壽命的幕函數(shù)關(guān)系或指數(shù)函數(shù)關(guān)系，從應(yīng)變疲勞的角度講，主要通過反映應(yīng)變一壽命的Manson-coffin公式。利用這些應(yīng)力一壽命或應(yīng)變一壽命關(guān)系，首先要確定葉片上的最大振動應(yīng)力或最大振動應(yīng)變叫通常采用粘貼在葉片上的電阻應(yīng)變片來確定葉片上的最大振動應(yīng)力或最大振動應(yīng)變。測量過程中，要求貼片位于葉片最大振

12、動應(yīng)力部位，要做到這一點(diǎn)，事實(shí)上是十分困難的，因?yàn)椋~片振動時最大應(yīng)力部位與所岀現(xiàn)的葉片振型有關(guān)，與葉片所受的其它負(fù)荷引起的應(yīng)力有關(guān)，同時旋轉(zhuǎn)下的葉片合成應(yīng)力，使得最大應(yīng)力區(qū)有所改變，所以，測量結(jié)果很難準(zhǔn)確地反映最大振動應(yīng)力或最大振動應(yīng)變。如欲提髙測試精度，只好在最大應(yīng)力區(qū)多貼 幾片，逐點(diǎn)測量，觀測苴中最大值，顯然這樣做工作量太大。另外，葉片振動過程中，英上 應(yīng)力一應(yīng)變處于彈性、三軸狀態(tài)，在這種情況下，前述應(yīng)力一壽命或應(yīng)變一壽命關(guān)系的適用 性及精確性值得懷疑，為解決這些困難，提岀了af值(葉尖振幅與葉片固有振動頻率乘積)的概念,af值能夠反映葉片上的最大應(yīng)力和 最大應(yīng)變，它的提出，一方而，解決

13、了在葉片上尋找最大應(yīng)力部位的困難，另一方而，測量 低階振動與高階振動一樣，都不需要尋求最大振動應(yīng)力部位。既然af值反映了葉片上的最大振動應(yīng)力和最大振動應(yīng)變，它也一立與葉片疲勞壽命存 在關(guān)系。經(jīng)過研究得到：1 )航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片振動狀態(tài)下，af值與葉片疲勞壽命N的關(guān)系為凹N=e b英中：b、c、d是由試驗(yàn)確左的常數(shù)，它們不僅與葉片材料有關(guān)，而且還與葉片形狀有 關(guān)。與傳統(tǒng)的應(yīng)力疲勞的數(shù)學(xué)模型相比，af值與葉片疲勞壽命N的關(guān)系既不是幕函數(shù)，也 不是簡單的指數(shù)函數(shù)。2 ) a f值與葉片疲勞壽命N的關(guān)系提供了確定葉片振動疲勞壽命的可能。3 ) a f值與葉片疲勞壽命N的關(guān)系提供了研究材料多軸髙周疲

14、勞行為的新途徑。5結(jié)束語隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，很多可能產(chǎn)生疲勞破壞的發(fā)動機(jī)葉片的設(shè)汁壽命越來越高,因此, 金屬髙周疲勞甚至超高范用疲勞成為一個值得關(guān)注的課題。雖然在過去幾十年已經(jīng)展開了一 些研究，但是所得到的結(jié)果和建立的理論還不能滿足疲勞設(shè)汁的需要。6參考文獻(xiàn)1 Wang WeiHua» Wang R J, Li F Y, eta 1 Elastic constants and their pressure dependence of Zr：iTiuCu1:. oNisBe-sClbulk metallic glass Applied Physics Letters, 1999, 74

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