高周疲劳失效分析

发动机叶片高周疲劳失效分析

090605 鲍海滨

摘要：为了降低航空发动机叶片的高循环疲劳失效。分析了导致高循环疲劳失效的原因、失效准则，以及一种研究材料多轴高周疲劳的新途径。

关键词：航空发动机叶片高循环疲劳失效

1 引言

航空发动机结构完整性和可靠性设计，对满足现代高性能航空发动机高推重比(高功质比)、高适用性、高可靠性、耐久性和低成本的要求起着至关重要的作用。采用先进的气动设计和先进结构、新材料、新工艺是现代高性能航空发动机最重要的特征，而无论是先进的气动设计，还是先进的结构、材料和工艺，都必须建立在结构完整性和可靠性的基础上。

航空发动机结构完整性和可靠性方面的不足严重地制约着在研发动机的研制目标和周期。在中国航空发动机研制过程中，科研人员最深刻的体会是，相对而言实现发动机性能指标的周期要短一些，也有一些有效的办法，而大量的结构完整性和可靠性问题特别是叶片断裂故障却显著地影响着发动机的质量和设计定型的周期。

导致叶片断裂失效的原因是多方面的[1，2]，根据不同的参考标准和参量，疲劳断裂二级失效模式如图1所示[3]

据统计，在燃气涡轮发动机中，由高循环疲劳引发的事故约占总事故的25%。因此，最大限度地降低航空发动机叶片高循环疲劳失效是最现实、亟待解决的任务。

根据频率

根据应力大小

根据温度

穿晶型疲劳断裂

沿晶型疲劳断裂

剪切型疲劳断裂

正断型疲劳断裂

晶格型

非晶格型

机械疲劳断裂

热疲劳断裂

拉—压疲劳断裂

弯曲疲劳断裂

扭转疲劳断裂

接触疲劳断裂

低温疲劳断裂

高温疲劳断裂

机械疲劳断裂

腐蚀疲劳断裂

应力疲劳断裂

应变疲劳断裂

高周疲劳断裂

低周疲劳断裂

高频疲劳断裂

低频疲劳断裂

室温疲劳断裂

图1 疲劳二级失效模式分类

2 高周疲劳失效的影响因素

2.1名义应力的影响

很早的时候就确认名义应力会引起失效。125年前Wohler[4]发现随着名义拉应力的增加引起失效的交变应力幅将随之减少。后来Gerber[5]提出抛物线关系理论，即应力幅与名义应力间存在着抛物线关系，相应于零幅值交变应力的名义应力极限等于材料的拉伸极限。Goodmen用对称交变应力和名义应力的线性关系代替抛物线关系增加了设计的安全裕度。事实上，设计中很多有疲劳极限低于此直线值，Goodmen曲线实为一种保守设计。Miller 用循环应力代替但相对屈服应力对这一理论作了另一种解释。

令人惊讶的是，这些理论中的关系式没有一条被试验验证。而我们却已把这些理论广泛用于工程实际，因此使用诸如Goodmen这些保守理论并非有什么不合理。还有一种情况我们引起注意，即压应力并不减少改变许用的交变载荷。事实上，平均压应力常会增加疲劳强度，所以对于设计计算，疲劳强度考虑成与零平均应力的疲劳强度相一致。

2.2 表面光洁度

疲劳裂纹主要生产在材料的自由表面，因此表面因素的性质举足轻重。经机械加工的表面特性，我们考虑以下三种因素：

（1）不规则的表面划伤或表面粗糙度

（2）表层中有残余应力

（3）塑性变形和材料表面的微观结构

1）表面粗糙度机械加工表面的粗糙度可用轮廓度计量，一般表示为偏离中心线的平均值（CLA）现在常用Ra值表示，Ra 值的范围从0.25的研磨光洁度至7.5微米的车削光洁度。比较车削或者粗研与细研或抛光表面，对碳钢，表面粗糙度使疲劳强度降低大约10～25% ，而对高强度钢，表面租糙度的影响更加明显。

2）残余应力喷丸能够改变零件的疲劳强度已经被证实。由于它对表面光洁度影响不大，很明显喷丸的引入是增加表面残余压应力有良性作用。所以表面残余应力状态对疲劳强度有重要改善。

3）塑性变形和微观结构微观结构影响材料的疲劳特性广为人知，晶粒大小的影响更为重要。然而在大型转子的制造过程中，考察材料基体是否变异的渠道少得可怜，而结构的选择考虑常常依附于从锻造到如何加工至最后形状相联系的工艺难易程度。

2.3 尺寸、应力梯度由于设计引起的应力集中影响

尺寸影响被说成一种或多种因素，但最为人们接受的是如下观点：

1）应力梯度影响：很清楚对于有同样表面应力的转轴，直径大的则应力梯度小，一旦疲劳萌生于次表层的危险区域内，那么大型转轴刚处于非常高的名义应力水平，继而疲劳强度降低。这种解释适用于没有拉一压状况。

2）概率影响：因为疲劳萌生于表面薄弱处而强度受表面面积影响，所以面积愈大，强度愈低。不管平板试件的疲劳强度受尺寸影响的真实情况如何，人们都相信切口平板试件的疲劳强度与尺寸关系甚为密切，小试件的最高疲劳强度趋干平板无切口试件的强度。最大试件的强度趋于深切口敏感状态的强度，即疲劳强度为σ/K t ，其中σ是无切口平板的疲劳强度，Kt 为应力集中系数。

2.4 环境影响

人们在许多年前就知道环境是影响金属疲劳强度的重要因素。其影响分为两类，其一是疲劳强度的变化不受材料表面严重的腐蚀影响；其二是强度变化由腐蚀或蚀点引起。第二类

情况很难用实验定量分析，因为腐蚀贯穿于试件寿命的始终，也即许多年，而一般疲劳试验几个小时就完成了。另外，腐蚀疲劳的特性与空气中的试验不一样，它的S —N 曲线常常是趋于连续向下，甚至在108个循环下也是如此，即没有疲劳极限。

2.5 微动影响

众所周知，微动使得材料的疲劳强度急剧下降，例如用En 26钢 ( 0 .43 C ，2.56 Ni ，0.62 Cr ，0.54 Mo )，热处理至强度极限为1043MPa ，发现其微动疲劳强度降至±32MPa ，即仅为拉伸极限的3.1 % ，或者说无微动棒的疲劳强度的 1/17 。比较公允的事实是相对滑移幅在8～14x10-8 毫米的范围内时，疲劳强度下降最低。

3 高周疲劳失效准则

1）Gough 准则的Lee 修正式[5]

(/)(/)A A a a R b S t + (1)

其中A=2（1+BsinU ），Ra ，Sa 分别为分别为弯曲正应力幅和扭转应力幅， b 是指定寿命N 下的弯曲疲劳极限，t 是指定寿命N 下的剪切疲劳极限，U 为非比例加载时弯曲和扭转的相位差，B 为材料常数。该准则在比例加载与非比例加载下均适用，比例加载条件下，Lee 修正式即Gough 准则。

2）Crossland 准则[6]

,,()H m H a K R R + (2)

其中2121212,3(/,a K t f K t J =-=为应力偏量第二不变的幅值，,,H m H a R R ，分别为第一应力不变量的幅值和均值，2121t f ，分别为材料在对称扭转和弯曲时的疲劳强度。

该准则适用于2121/f t 的金属材料。

3）Mcdiarmid 准则[7]

(B)n max /t +/(2)a A f S R R ， （3）

式中Sa ，n max R ，为临界面上的剪切应力幅和最大正应力，(B)t A 分别为出现拉伸(剪切)破坏时的剪切疲劳强度f R 为材料在拉伸时的疲劳强度。通过对EN24T 钢的管状试件进行弯扭实验表明，该准则在比例和非比例两种情况下都适用。

4） Papadopoulos 准则[8]