긴 수명과 높은 신뢰성은 주요 엔지니어링 장비의 중요한 지표이며, 특히 사용 수명 동안 107회 또는 심지어 1010회 이상의 반복 하중을 받는 첨단 항공 엔진 및 고속철도 차축으로 대표되는 핵심 부품입니다. 피로 한계(107사이클에 해당)를 기반으로 하는 기존의 피로 강도 및 수명 설계를 뒤집는 초고피로(즉, 107사이클 이상의 피로) 연구 범주에 진입했습니다. 이는 피로한도(107주기에 해당)를 기반으로 하는 기존의 피로강도 및 수명 설계를 뒤집었으며 최근 몇 년간 피로 연구의 선두이자 핫스팟이 되었습니다. 따라서 초고피로의 미시적 메커니즘과 법칙을 밝히고, 피로수명과 피로강도에 대한 정확한 예측모델을 확립하는 것은 과학적 의의와 공학적 응용가치가 크다.
중국과학원 기계연구소 비선형역학 국가핵심연구소의 미세구조 전산역학 그룹은 항공엔진용 TC17 티타늄 합금과 TC4 티타늄 합금을 연구 대상으로 삼아 변형쌍정과 나노결정이 형성됨을 밝혔다. 피로 하중 과정은 티타늄 합금의 초고 주변 피로 균열의 발아 및 진행에 중요한 요소이며 티타늄 합금의 초고 주변 피로 균열의 발아 및 초기 팽창 메커니즘을 제시합니다. 본 연구는 가변진폭하중 설계를 통해 수행되며 피로수명과 피로강도를 측정한다. 가변 진폭 하중 설계를 통해 UHF 균열 발생 및 초기 확장 영역에서 등가 균열 확장율 10-13~10-11m/cyc를 측정하고 UHF 피로 수명을 예측하며, 예측 결과는 실험 결과와 일치합니다.
재료 결함이 티타늄 합금의 피로 성능을 크게 저하시킬 뿐만 아니라, 결함이 고주기 및 초고주기 피로 거동에 미치는 영향은 결함이 도입되는 형태와 밀접한 관련이 있음이 밝혀졌습니다. 내부 재료 결함의 경우 고주기 및 초고주기 피로 SN 곡선은 지속적인 감소를 보이는 반면, 표면 인위적으로 결함이 있는 시편의 SN 곡선은 고원 영역을 특징으로 합니다. 현장 현미경, 주사전자현미경 및 투과전자현미경 관찰 결과, 내부 결함으로 인한 초고주기 피로 파손과 달리 표면 인공 결함으로 인한 초고주기 피로는 균열 발생 및 초기 팽창의 느린 과정을 나타내지 않는 것으로 나타났습니다. 나노 입자의 형성과 함께 균열이 시작되면 균열이 빠르게 성장하고 매우 적은 수의 주기 내에 시편이 파손될 것입니다. 연구자들은 이러한 실패가 피로 하중과 시간 의존적 과정(예: 수증기의 영향, 수소의 작용 등)의 시너지 효과 때문이라고 생각합니다. 이 연구는 또한 티타늄 합금의 고주기 및 초고주기 피로 강도에 대한 시편 형상 및 표면 결함의 영향에 대한 모델을 제안합니다. 이 모델은 티타늄 합금의 피로 강도에 대한 결함의 영향을 연관시키는 데 사용될 수 있을 뿐만 아니라 일부 금속 재료의 장기간 피로 강도에 대한 결함(균열 포함)의 영향에 대한 문헌에서도 효과적으로 사용될 수 있습니다.
연구팀은 초고주기 피로 범주에서 고주기 피로 강도에 대한 응력 비율의 영향에 대해 일반적으로 사용되는 여러 모델의 예측 능력에 대한 비교 연구를 수행했습니다. 다양한 재료의 실험 데이터는 Walker의 공식 σ , R=σ ,-1 [(1-R)/2]가 Goodman의 공식 σa, R=와 유리하게 비교됨을 보여줍니다. σ ,-1 [1-(σm/σb)] 및 Smith-Watson-Topper 공식 σa, R=σ ,-1 [(1-R) /2]. -R)/2]1/2 - 초고원주의 피로 강도에 대한 응력 비율의 영향을 더 잘 예측합니다. 여기서 σ, R 및 σ-1는 응력 비율 R 및 {{에서의 피로 강도입니다. 22}}, σm과 σb는 각각 평균응력과 인장강도를 나타내며 재료변수이다.
이번 연구 작업은 중국국가자연과학재단(NSFC) 기초과학센터의 '비선형 역학의 다중 규모 문제' 프로젝트와 '항공 엔진 고온 재료/첨단 제조 및 고장의 과학적 기초'의 지원을 받았습니다. NSFC 전공연구사업 진단' 육성사업. 중국 국립자연과학재단(NSFC)의 지원을 받습니다. 연구 결과 중 일부는 Int. J. Fatigue 2023, 166: 107299; 2023,167:107331; 2022, 160:106862; 영어 분수. 기계화. 2022, 259: 108136; 2022, 272: 108721; 2022, 272: 108721; 2022, 272: 108721; 2022, 272: 108721; 2022, 272: 108721; 2022, 272: 108721; 2022, 272: 108721; 2022, 272: 108721.108721; 2022, 276: 108940; J. Mater. 과학. 기술. 2022, 122: 128-140; 이론. 신청 분수. 기계화. 2022, 119: 103380.
