● 摘要
随着飞行器技术的日新月异，对航空发动机性能要求也越来越高，运用性能优越的材料是提高发动机性能的途径之一。粉末高温合金由于具有晶粒细小、组织均匀、不易产生偏析、屈服强度高、疲劳性能好等优越的力学性能使之成为涡轮盘的首选材料。然而，粉末高温合金也有不足之处，如对缺陷敏感、韧度低、寿命分散大等问题。此外涡轮盘的设计中出于冷却以及结构的需要，实际的涡轮盘的几何形式往往是不连续的，这势必会造成涡轮盘上应力集中，促进粉末高温合金涡轮盘上的裂纹萌生及扩展。实际的粉末高温合金涡轮盘的寿命主要集中在裂纹的萌生以及扩展阶段，尤其是小裂纹扩展阶段，而小裂纹扩展特性又不能用传统长裂纹扩展理论来描述。因此，对于粉末高温合金小裂纹扩展特性的研究是具有现实意义的。本文基于此现状，针对粉末高温合金小裂纹扩展规律与疲劳性能开展了以下几个方面的研究：
首先，从FGH95粉末高温合金的标准紧凑拉伸（CT）试样的裂纹扩展特性分析入手，建立了塑性诱发裂纹闭合效应的物理模型，引入裂纹闭合效应，细致的分析了裂纹面上的应力分布，并考察了材料的本构关系、网格密度、应力比对裂纹闭合效应的影响。计算研究表明：理想弹塑性模型(EPP)比多线性随动线性强化模型(BL)的计算结果分散，网格尺寸对理想弹塑性模型下裂纹闭合效应的影响更为明显；当裂纹尖端塑性区内的网格数达到一定数目后，裂纹闭合效应趋于稳定；裂纹闭合效应与应力比有关，当应力比大于一定值时，就不存在裂纹闭合效应。在此基础上建立了考虑裂纹闭合效应的裂纹扩展寿命分析模型，进行寿命预测，通过对比研究表明：该模型的预测寿命比传统方法精度更高，可运用到复杂结构的裂纹扩展寿命分析中。
其次，结合Neuber法，在理论上研究了缺口塑性区以及缺口裂纹扩展的J积分，研究表明：缺口塑性区的大小与缺口几何、名义应力及材料属性有关；在研究缺口处裂纹扩展时，应该要重视对缺口内部应力场的分析，而不是单纯考虑远端弹性场，这对于研究缺口裂纹扩展规律以及缺口部件寿命预测是至关重要的。然后定性的分析了应力集中系数与缺口处裂纹萌生及扩展的关系，分析指出：应力集中系数Kt较小时，在较高应力水平下，裂纹才会萌生裂纹，但裂纹一旦形成，将扩展至构件破坏；应力集中系数Kt较大时，裂纹可以在很小的应力水平下萌生，但只要应力水平没有达到裂纹扩展边界，裂纹就不会扩展。
最后，在FGH97缺口裂纹扩展数据的基础上，分析了半圆和半椭圆两种缺口形式的裂纹扩展规律，研究指出：缺口裂纹扩展呈现出“V”型扩展规律，对于不同缺口形状的试样，裂纹扩展速率最小时的裂纹长度 与试样的净截面应力、缺口的几何尺寸等有关，同种缺口试样 值与净截面应力基本呈线性关系；引入裂纹闭合效应来研究缺口塑性区内的裂纹扩展规律，进行了相应的数值计算。在此基础上提出了缺口试样裂纹扩展规律的简化模型，并进行了相应的寿命分析。研究表明：缺口处的裂纹扩展规律受缺口塑性区与裂纹尖端塑性区共同作用，缺口塑性区内的裂纹闭合效应随着裂纹长度的增加先增加，达到最大值后又逐渐减小；通过修正模型计算得到的寿命与试验寿命基本一致，表明修正模型的准确性。