CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2018·中国科技信息2018年第7期航空航天◎DOI：10.3969/j.issn.1001- 72.2018.07.012可实现度可替代度行业曲线linkindustry中国直升机设计研究所付裕，男，博士，现为天津直升机研发中心结构工程师,研究方向为金属材料疲影响力真实度劳和复合材料结构设计。point行业关联度付 裕 金属材料低温疲劳研究进展与展望许多工程疲劳设计需要考虑金属材料在低温时的疲劳断相近而低温环境下滚压材料的高周疲劳强度要高于锻造材料，裂性能，例如有些车辆、土木工程结构、输道、飞行器通过断口分析可以发现晶粒细化能够减小初始裂纹的尺寸并等在某些地区的工作温度达到- 50以下远远低于室温温度，显著提高钛合金在低温环境下的疲劳强度。Ono[6]等通过疲还有一些液氮的存储运输设备和一些低温超导材料的工作温劳试验研究了滚压和锻造钛合金的低温高周疲劳特性，试验结度更是达到了- 250 以下甚至接近绝对温度。金属材料在低果表明无论是滚压还是锻造合金的疲劳强度都随着温度的降温时容易发生韧脆转变，因而这些在低温和极低温度环境下低而提高，但是对于晶粒尺寸较大的锻造钛合金在长寿命区的使用的材料很容易发生脆性断裂，因此有必要通过对金属材疲劳强度基本与温度无关，断口分析表明低温时钛合金的疲劳料在低温时的疲劳断裂性能进行深入研究，以满足材料在低裂纹会起始于试样内部，断口处有小平面结构出现且材料晶粒温工作状态时的设计要求。越细初始裂纹尺寸越小，因此通过晶粒细化能够提高钛合金的对于低温疲劳问题的研究大约始于20世纪70年代，通疲劳强度。Yuri等通过低温疲劳实验研究了低温环境下缺口过低温疲劳试验发现材料无论从疲劳强度还是裂纹扩展门槛效应对锻造钛合金疲劳性能的影响，研究结果表明光滑试件的值来看，低温对于金属材料的疲劳特性都是有利的，因此在条件疲劳极限随着温度的降低而升高而有缺口试件的疲劳极低温环境下的疲劳设计中不仅不需要折减，还可以放宽。随限在温度很低时会降低，通过断口分析可以发现出现这种现象着对低温疲劳问题的深入研究，人们发现不同的材料对温度的原因与疲劳起始位置有关。Ono等通过INCONEL 718高的敏感特性不一样并且材料在低温时的疲劳性能并不都是有温镍基合金在4K、77K和293K三种不同温度下的疲劳试验利的而是在温度域内存在一个韧脆转变区，疲劳寿命在韧脆发现该合金的高周疲劳强度随着温度的降低而升高，断口分析转变区之前和之后的性能是完全不一样的。表明疲劳裂纹产生于近试样表面，源于粗大的富Nb碳化物且目前，国内外对于金属低温疲劳的主要研究内容主要在应力水平较低时会出现穿晶裂纹源。Umezawa研究了局包括三个方面，一是通过疲劳试验测定金属材料在低温时的部再结晶对不锈钢在液氮温度下高周疲劳特性的影响，研究结S-N曲线得到低温时的疲劳特性，二是通过裂纹扩展试验研果表明局部再结晶处理的材料低温疲劳强度会明显提高，通过究低温时金属材料的裂纹扩展特性，三是根据低温对金属材局部再结晶产生的位错结构能够增强材料晶粒在各个方向上料性能的影响，研究冷处理对金属材料微观结构和疲劳断裂的塑形变形减小晶界缺陷上的应力集中从而提高材料的疲劳性能的作用。研究的技术路线手段主要是通过金属材料在不强度。Ono等通过低温疲劳试验研究了晶粒尺寸对钛合金疲同温度环境下的疲劳力学对比试验和断口金相分析来研究低劳性能的影响，研究结果表明钛合金疲劳寿命随着温度的降低温疲劳相对于常温状态下的特性，还包括一些基于断裂力学而提高，晶粒越细温度越低钛合金的疲劳强度越高，因此细化模型、疲劳裂纹扩展机制以及韧脆转换理论的寿命估算以及钛合金中的 晶粒能够大大提高钛合金在低温情况下的疲劳强金属晶体微观结构的机理破坏分析。理论研究方面，吕宝桐和郑修麟建立了估算低温下金属低温对金属材料疲劳特性的影响度。Murakami[11]等研究了钆123超导体低温时的力学性能，研究结果表明钆123在低温时的弯曲疲劳强度和疲劳极限远高于室温，而低温和室温时的杨氏模量基本不变。贾星兰材料应变疲劳寿命的新方法，并首次提出了金属疲劳极限的和刘文在PLG-300 kN 高频疲劳试验机上, 测定了在- 25 环热激活模型，利用该模型可定量地解释温度和频率对疲劳极境下4 种应力水平对应的焊接构件的疲劳寿命,并得出了其中限的影响。试验研究方面，Srivatsan等通过对不同方向（横值S-N 曲线，采用小样本单侧容限分析法得到了低温构件的向和纵向）2024锻制铝合金板在低温、室温和高温三种不同p- s- n曲线。Manes利用声发射监测技术研究了钢材低温疲温度环境下的疲劳试验研究了温度对铝合金疲劳特性的影响，劳试验的裂纹起始和扩展过程，通过对试验过程中信号的处理研究结果表明相同应力条件下，锻制铝合金板的横向和纵向疲和分析能够定量的得出低温疲劳过程中裂纹起始和扩展的寿劳寿命都随着温度降低而提高；应力水平较高时，铝合金的纵命，从而为低温疲劳提供新的实验技术手段。Ogata研究了向疲劳特性优于横向疲劳特性。Yuri等研究了低温环境下表在氢气与低温环境共同作用下SUL304L不锈钢的疲劳特性，面粗糙度和缺口对滚压和锻制钛合金的影响，研究结果表明所研究结果表明氢脆效应在常温和190K的温度下较为明显，有类型试验件的疲劳寿命随着温度的降低而提高，钛合金表高应力水平时能够大大降低钢的疲劳寿命；当温度很低时，氢面越粗糙疲劳强度越低，常温下滚压和锻造铝合金疲劳特性脆效应不明显，且低温能够提高钢材的疲劳强度。对于金属材-47-2018-07 最终.indd 472018/3/28 13:43:00◎航空航天中国科技信息2018年第7期·CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2018料的低温低周疲劳，Sun研究了钛合金在低温环境下的拉伸的裂纹扩展性能进行了实验研究，研究结果表明裂尖开口位移性能和低周疲劳特性，研究结果表明钛合金在低温下的延性和（CTOD）和裂纹扩展速率都会随着温度的下降而降低，裂尖疲劳寿命优于常温环境下，低周疲劳寿命随着温度的降低而增开口位移（CTOD）不仅受到温度的影响且与裂纹相对于滚压加,断口分析表明常温下钛合金的变形模式主要是晶体滑移而方向的角度有关。低温下主要是孪晶现象。金属材料在低温环境下的裂纹扩展性能变化与裂纹扩金属的低温疲劳特性受到很多因素影响，主要包括环境、展机制有着密切的联系，具体来说取决于低温下材料的疲劳金属晶体本身的材料性质、加载方式、材料的几何形状、表抗力增加和塑性韧性降低这两个因素的竞争结果。因此，金面粗糙度等因素。对于绝大多数金属来说，低温环境的疲劳属材料的疲劳裂纹扩展速率并不是完全随着温度的降低而减寿命和强度都会有所提高，原因是低温时金属的微观结构发小，而是存在一个裂纹扩展速率发生转折的温度。生改变使得疲劳裂纹的形成和扩展机制都发生改变。吕宝桐和郑修麟总结了金属低温疲劳取得的进展低温对金属材料疲劳裂纹扩展特性的影响从前面的综述可以看出，金属材料在低温时金属内部低温处理对金属材料疲劳特性的影响,基于疲微观结构发生了变化，导致材料在低温时的力学性能发生劳裂纹扩展机制，提出了定量预测金属材料在低温下的疲劳极变化，因此可以通过低温处理改善金属材料的疲劳性能。限、应变疲劳寿命疲劳起始寿命和裂纹扩展速率的方法。Lu 和Bensely等研究了热处理、浅冷处理以及深冷处理En353Zheng[20]研究了多种金属材料的低温裂纹扩展性能，发现低钢的高周疲劳特性，研究结果表明冷处理能够提高钢的疲劳温情况下裂纹扩展机理和金属材料的韧脆转化现象对裂纹扩展强度且深冷处理比浅冷处理提高的幅度更大而热处理降低了速率有重要影响。张福泽和叶序彬等通过裂纹扩展试验研究了钢的疲劳强度，断口分析表明冷处理能够提高钢疲劳强度的航空金属材料在不同温度下的裂纹扩展特性，研究结果表明航原因是较细的渗碳体以及残余马氏体的存在。Singh研究了空金属材料在低温下的裂纹扩展速率低于常温情况，因此降低冷处理提高不锈钢填角焊缝轴向疲劳特性的方法，通过低温温度可以提高材料的裂纹扩展寿命。吕宝桐和郑修麟研究了低疲劳试验发现冷处理能够大大提高不锈钢在低温环境时的疲温环境下LY12CZ的疲劳裂纹扩展速率，结果表明LY12CZ劳寿命，通过对不锈钢微观结构分析发现在冷处理过程中发铝合金的疲劳裂纹扩展速率随温度的降低而下降，而对于高 生了应变诱导马氏体转化现象，从而提高了不锈钢焊缝的疲K区温度效应减弱，低温下裂纹扩展仍以条带机制进行，断劳寿命。Zhirafar研究了低温处理对4340钢力学性能和微口粗糙度随着温度下降而增大，提出了一种估算低温下估算观结构的影响，研究结果表明低温处理能够提高4340钢的LY12CZ铝合金的疲劳裂纹速率的方法。方华灿和段梦兰通过硬度和疲劳强度但是会降低其断裂韧性，通过中子衍射技术利用不同控制参数对疲劳裂纹扩展寿命的估算结果与试验寿命发现冷处理后钢的微观结构中残留奥氏体数量减少而转化结果进行对比，发现A537钢室温疲劳裂纹扩展的基本参数应成了马氏体，从而造成钢的硬度增加提高了钢的疲劳性能。为应力强度因子幅值而低温疲劳裂纹扩展的基本控制参数则为Fredj和Sidhom研究了低温制冷磨削对304不锈钢疲劳最大J积分。Carpinteri等研究了在静载下低温铝合金板在不性能的影响，研究结果表明通过液氮低温制冷磨削的不锈钢同初始缺陷下的裂纹扩展，研究结果表明在裂纹扩展早期阶段，比利用油基磨削液冷却的不锈钢拥有更少的缺陷和残余拉应随着裂纹扩展缓慢减小，当裂纹尺寸达到2cm时，明显下降。力，因而能够提高不锈钢的疲劳极限，通过断口分析发现液Gasqueres等研究了低温真空环境中铝合金疲劳裂纹扩展特氮低温制冷磨削的不锈钢断口的疲劳裂纹远远小于油基磨削性，研究结果表明低温环境的裂纹扩展速率低于空气中的裂纹液冷却的不锈钢。从冷处理对裂纹形成和扩展寿命的影响来扩展速率，断口分析表明低温环境时的结晶现象会阻碍裂纹扩看，Das研究了低温情况下滚压处理对疲劳和裂纹扩展的影展从而降低裂纹扩展速率。Shindo等研究了不锈钢在低温和磁响，结果表明低温滚压处理能够大大提高铝合金的疲劳强度场共同作用下的裂纹扩展特性，测定裂纹扩展速率时采用J积和断裂门槛值，断口分析表明低温处理后铝合金相比未处理分作为低温裂纹扩展的基本参数，研究结果表明低温环境下有过的铝合金晶粒更加细化，有更高的位错能密度，因而疲劳磁场的裂纹扩展速率快于没有磁场时的裂纹扩展速率，断口分性能大大提高。Singh等通过裂纹扩展试验研究了深冷处理析表明，温度降低时裂纹扩展区内的脆性马氏体出现阻碍了裂对AISI304L不锈钢焊件疲劳寿命的影响，研究结果表明深纹扩展，因此低温时裂纹扩展速率会降低。Grinberg等研究了冷处理通过改变不锈钢的微观结构使马氏体发生转变只能提铝-锂合金在不同的温度和介质中的疲劳特性，研究结果表明铝-高疲劳裂纹形成寿命而对疲劳裂纹扩展寿命没有影响。锂合金的疲劳性能随着温度的降低而提高，当温度改变时疲劳通过低温冷处理改善金属材料的疲劳性能是一种非常有裂纹扩展机制改变，温度降低时疲劳条带增多裂纹扩展区面积效的方法，因为低温冷处理不但能够有效提高材料的疲劳强度增大，疲劳裂纹扩展寿命提高。Liaw研究了几种材料在低温下还能降低裂纹扩展速率，减小残余应力以及提高断裂门槛值。的近门槛值裂纹扩展特性，试验结果表明温度下降对不同材料的近门槛裂纹扩展特性影响不一样，一些材料在一定范围内裂金属材料虽然在低温环境下的疲劳性能受很多因素的影结语纹扩展门槛值会随着温度的下降升高，超过此范围，裂纹扩展响，并非所有的低温环境对材料的疲劳性能影响都是有利的，扩展门槛值反而下降，一些材料的裂纹扩展门槛值会一直下降。 因此低温下的疲劳破坏设计值至少不能高于室温下的疲劳设因此，低温环境下的疲劳裂纹扩展速率并不是简单的随温度的计值。金属材料在低温环境的裂纹扩展特性与材料本身的韧脆下降而降低，而是与材料本身的特性、韧脆转换机制以及疲劳特性以及裂纹扩展机制有密切的联系，一般而言，低温环境能裂纹扩展机制密切相关。对于低温对金属材料断裂韧性的影响，够改变材料的微观结构从而降低裂纹扩展速率。低温冷处理作Carpinteri等从能量角度建立金属合金的微观力学模型来分析为一种有效提高金属材料疲劳性能的方法，已经广泛的引起人温度对其断裂韧性的影响，通过能量平衡方程来纳入温度对金们的关注并逐步成为低温疲劳的热点问题。由于实验室条件下，属合金断裂韧性的影响，成功的建立了材料断裂韧性与温度的低温疲劳试验载荷通常为恒幅加载且试验环境条件较为单一关系式。Potti等根据三参数断裂力学准则，对低温下铝-锂合并，实验所取得的研究成果比较难于直接应用到工程实际中。金的实验数据进行了拟合，确定了铝-锂合金在低温下的断裂另外在研究低温裂纹扩展时，应当充分考虑裂纹闭合效应、残韧性以及剩余强度。Baek等对低温下304型不锈钢在低温下余应力以及材料韧脆转换等因素的综合影响。-48-2018-07 最终.indd 482018/3/28 13:43:00
