田玉杰， 尚德廣， 陳 宏， 劉建中

(1.北京工業(yè)大學(xué)機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124;2.北京航空材料研究院，北京100095)

鈦及鈦合金相對于其他金屬材料具有密度低、比強度高、耐腐蝕性能好等優(yōu)點，因此逐漸被廣泛應(yīng)用于各個工業(yè)領(lǐng)域，尤其在航空工業(yè)中的應(yīng)用范圍越來越廣［1］。TC21鈦合金是為了滿足航空飛行器要求而研制的高強韌新型鈦合金，因此在航空領(lǐng)域應(yīng)用中具有重要地位。

工程部件由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜或同時承受多個方向上的交變載荷，通常呈現(xiàn)三維應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，容易產(chǎn)生疲勞破壞［2］，從而造成重大安全事故。目前對鈦合金單軸疲勞特性［3～8］和微觀方面的研究［9～11］已經(jīng)較為成熟，而多軸疲勞特性方面的研究［12］相對較少。在變幅疲勞方面，有諸多學(xué)者對于單軸變幅載荷的高低載荷加載順序?qū)ζ趬勖挠绊戇M行了研究。蔣小松等人［13］研究了單軸恒、變幅載荷對于疲勞壽命的影響，并且從微觀角度給予了解釋。顏鳴皋等人［14］在變幅載荷下對幾種飛機結(jié)構(gòu)材料的疲勞裂紋擴展行為及其壽命預(yù)測方法進行了評述，并報道了鋁和鈦合金在不同類型超載下的遲滯效應(yīng)與擴展機制。在金屬多軸變幅疲勞特性方面，Shang等人［15］研究了GH4169合金在多軸變幅載荷下的高溫特性，并發(fā)現(xiàn)在拉伸和扭轉(zhuǎn)方向上有不同的軟硬化特性。有學(xué)者著手對恒幅單軸和低周下TC21鈦合金的特性進行研究［1，9］，而對于TC21鈦合金在變幅載荷下的研究較少，本工作研究了TC21鈦合金多軸載荷下疲勞特性和多軸變幅載荷下的疲勞性能。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料與試件

試件材料為TC21鈦合金，化學(xué)成分如表1所示，力學(xué)性能如表2所示。薄壁管試件形狀尺寸如圖1所示。

圖1 試件形狀及尺寸Fig.1 Shape and size of specimen

1.2 試驗方法

疲勞試驗在MTS 858拉扭電液伺服疲勞試驗機上進行，使用MTS632.68F-08型拉扭引伸計進行拉-扭應(yīng)變控制加載，引伸計標(biāo)距為25mm。所有試驗均采用正弦波加載，試驗頻率為1Hz。加載路徑如圖2所示。時間的具體加載參數(shù)見表3。

表1 TC21鈦合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of TC21 titanium(mass fraction/%)

表2 TC21鈦合金的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of TC21 titanium

圖2 加載應(yīng)變路徑示意圖 (a)單軸拉壓;(b)單軸純扭;(c)拉扭比例;(d)拉扭45°非比例;(e)拉扭90°非比例Fig.2 Loading paths (a)tension loading;(b)torsion loading;(c)proportional loading; (d)45°non-proportional loading;(e)90°non-proportional loading

表3 疲勞試驗加載控制參數(shù)Table 3 Multiaxial fatigue loading parameters

2 恒幅加載下的疲勞性能

2.1 單軸恒幅加載下的疲勞性能

圖3為試件在A，B載荷下的應(yīng)力-循環(huán)壽命曲線。由圖3可以看出，A載荷下即等效應(yīng)變幅值Δεeq/2=0.75%時，拉伸應(yīng)力最大值在循環(huán)壽命前期減小明顯，后期變化不明顯，這說明材料在循環(huán)壽命前期存在明顯軟化但后期軟化不明顯的情況。前期軟化過程大約占整個壽命循環(huán)周期的35%，后面過程由于軟化不明顯可以認為基本穩(wěn)定。B載荷下等效應(yīng)變幅值Δεeq/2=0.55%時拉伸應(yīng)力最大值在整個壽命周期基本穩(wěn)定，只在初期有一點微弱的變化，然后迅速達到穩(wěn)定直至試件出現(xiàn)裂紋。

由此可知，該鈦合金單軸拉壓下的疲勞特性表現(xiàn)為循環(huán)軟化，且軟化程度與加載應(yīng)變幅值大小有關(guān)，應(yīng)變幅值越大鈦合金循環(huán)軟化越明顯。

圖3 單軸拉壓加載下應(yīng)力壽命曲線Fig.3 Change ofmaximum axial stress with cycle number under tension loading

圖4為試件在純扭載荷C，D，E下的應(yīng)力-循環(huán)壽命曲線。由圖4可以看出，在C和D載荷下，扭轉(zhuǎn)最大應(yīng)力在循環(huán)壽命周期前期明顯減小，然后達到基本穩(wěn)定。說明材料經(jīng)過壽命初期迅速軟化后達到基本穩(wěn)定。在E載荷下，扭轉(zhuǎn)最大應(yīng)力在整個循環(huán)壽命周期基本保持不變，可以認為處于穩(wěn)定狀態(tài)。

比較三條曲線可以看出，TC21鈦合金在等效應(yīng)變幅值Δεeq/2=1.0%時前期的軟化過程比等效應(yīng)變幅值 Δεeq/2=0.8%時明顯;當(dāng)?shù)刃?yīng)變幅值Δεeq/2=0.6%時，合金沒有出現(xiàn)明顯軟化現(xiàn)象。由此可知，TC21鈦合金在純扭轉(zhuǎn)加載時表現(xiàn)出軟化特征。軟化程度與其所受的等效應(yīng)變幅值大小有關(guān)，等效應(yīng)變幅值越大，循環(huán)軟化越明顯。

圖4 單軸純扭加載下應(yīng)力壽命曲線Fig.4 Change ofmaximum shear stresswith cycle number under torsion loading

2.2 多軸恒幅加載下的疲勞性能

圖5為多軸比例載荷F加載時的應(yīng)力-循環(huán)壽命曲線，控制等效應(yīng)變幅值Δεeq/2=1.0%。由圖可知，拉伸應(yīng)力最大值和扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力最大值在循環(huán)壽命初期均迅速減小，到總壽命的30%時達到基本穩(wěn)定;后期的循環(huán)過程中應(yīng)力最大值均有微弱的減小，但變化過程不明顯;由此可知，多軸比例加載下TC21鈦合金在拉伸和扭轉(zhuǎn)載荷下均表現(xiàn)出循環(huán)軟化特性。

圖5 比例加載下應(yīng)力壽命曲線Δεeq/2=1.0%Fig.5 Change ofmaximum stress with cycle number under proportional loadingΔεeq/2=1.0%

圖6、圖7為多軸非比例載荷G，H加載時應(yīng)力-循環(huán)壽命曲線，拉伸與扭轉(zhuǎn)方向應(yīng)變控制命令相位差為90°。由圖6可知，控制等效應(yīng)變幅值Δεeq/2 =1.0%時，軸向拉伸應(yīng)力最大值和扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力最大值在循環(huán)初期明顯降低，然后基本達到穩(wěn)定。

由圖7可以看出，控制等效應(yīng)變幅值Δεeq/2= 0.6%時，扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力最大值在整個循環(huán)壽命周期內(nèi)略有減小，但變化不明顯。拉伸應(yīng)力最大值在整個循環(huán)壽命周期內(nèi)呈現(xiàn)降低趨勢。

由此可知，TC21鈦合金在多軸非比例載荷下表現(xiàn)循環(huán)軟化的特性，且軟化程度和其所受載荷大小有關(guān)，控制應(yīng)變載荷幅值越大軟化過程越明顯。

3 變幅加載下的疲勞特性

3.1 純扭變幅加載下的疲勞性能

圖8為純扭變幅載荷J下的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力壽命曲線，各級等效應(yīng)變幅值依次為0.4%，0.6%，0.8%和1.0%，每一級載荷加載20周。由圖中可以看出，在循環(huán)壽命前期，材料表現(xiàn)出循環(huán)軟化特性，在半壽命附近材料的應(yīng)力響應(yīng)達到基本穩(wěn)定。由材料在整個循環(huán)壽命周期內(nèi)的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力響應(yīng)可以看出，TC21鈦合金在扭轉(zhuǎn)變幅塊載荷下表現(xiàn)出循環(huán)軟化。

圖8 純扭變幅載荷J下剪應(yīng)力壽命曲線Fig.8 Change ofmaximum shear stress with cycle number under variable amplitude torsional loading J

圖9為TC21鈦合金在第一個循環(huán)載荷塊和半壽命附近一個載荷塊內(nèi)的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力響應(yīng)曲線。圖中每一級應(yīng)力響應(yīng)曲線前的點都是由于試驗控制引起的載荷過渡點。兩個載荷塊內(nèi)相同的控制應(yīng)變載荷水平下的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力響應(yīng)均有不同程度的降低。等效應(yīng)變幅Δεeq/2=0.4%的第一級控制應(yīng)變水平下，合金在第一個載荷塊內(nèi)經(jīng)過幾周的軟化之后迅速達到穩(wěn)定，在半壽命附近的載荷塊內(nèi)材料一直處于硬化狀態(tài)。等效應(yīng)變幅Δεeq/2=0.6%的第二級控制應(yīng)變水平下，合金在第一個載荷塊內(nèi)經(jīng)過幾周的軟化之后迅速達到穩(wěn)定，在半壽命附近的載荷塊內(nèi)材料經(jīng)過開始幾周的穩(wěn)定之后馬上進入硬化狀態(tài)。等效應(yīng)變幅Δεeq/2=0.8%的第三級控制應(yīng)變水平下，合金在第一個載荷塊內(nèi)經(jīng)過開始幾周的穩(wěn)定之后進入軟化狀態(tài)，在半壽命附近的載荷塊內(nèi)合金經(jīng)過開始幾周的穩(wěn)定之后馬上進入緩慢軟化狀態(tài)。等效應(yīng)變幅Δεeq/2 =1.0%的第四級控制應(yīng)變水平下，合金在第一個載荷塊內(nèi)經(jīng)過開始幾周的穩(wěn)定之后進入快速軟化狀態(tài)，在半壽命附近的載荷塊內(nèi)合金經(jīng)過幾周之后進入軟化狀態(tài)，且軟化過程比上一級應(yīng)變水平下更為明顯。

圖9 載荷J下兩個載荷塊內(nèi)的剪應(yīng)力壽命曲線Fig.9 Change ofmaximum shear stress with cycle number of two blocks under loading J

3.2 多軸變幅加載下的疲勞性能

圖10為等效控制應(yīng)變幅分別為0.8%，0.6%和0.4%的90°非比例塊載荷K下的軸向拉伸應(yīng)力壽命曲線。由圖可以看出，每一個載荷塊內(nèi)0.8%應(yīng)變幅加載時均表現(xiàn)出軟化的現(xiàn)象。而在0.6%和0.4%應(yīng)變水平下，在每一個載荷塊內(nèi)，材料都表現(xiàn)出硬化現(xiàn)象。這說明大應(yīng)變載荷下的非比例加載對材料的軸向拉壓特性具有強化作用，使后面的小應(yīng)變載荷下的循環(huán)特性出現(xiàn)硬化現(xiàn)象?？v觀整個壽命周期，TC21鈦合金在90°非比例變幅載荷下在拉伸方向表現(xiàn)出軟化特征。

圖10 90°非比例變幅塊載荷K下拉伸方向應(yīng)力壽命曲線Fig.10 Change ofmaximum axial stress with cycle number under 90°non-proportional variable amplitude loading K

圖11為等效應(yīng)變幅分別為0.8%，0.6%和0.4%的90°非比例塊載荷K下的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力壽命曲線。圖中，載荷由一級變?yōu)榱硪患壿d荷時由于控制的原因，都會變?yōu)檩^低的水平再加載至目標(biāo)值，所以會出現(xiàn)圖中的細長線。由圖可以看出，在0.8%的應(yīng)變水平下，剪應(yīng)力在每個載荷塊內(nèi)都是軟化。在0.6%應(yīng)變水平下，剪應(yīng)力最大值在每個載荷塊內(nèi)基本保持穩(wěn)定。0.4%應(yīng)變水平下，剪應(yīng)力在每個載荷塊內(nèi)都是硬化。并且可以看出，在每一個載荷塊內(nèi)，應(yīng)變幅值由0.4%變?yōu)?.8%時，由于過渡階段控制命令的不連續(xù)，使得剪應(yīng)力表現(xiàn)出瞬間增大的現(xiàn)象。但縱觀整個壽命周期，TC21鈦合金在90°非比例變幅載荷下在扭轉(zhuǎn)方向也表現(xiàn)出循環(huán)軟化特征。

圖11 90°非比例變幅加載K下扭轉(zhuǎn)方向應(yīng)力壽命曲線Fig.11 Change ofmaximum shear stress with cycle number under 90°non-proportional variable amplitude loading K

圖12和圖13是塊載荷L(由等應(yīng)變幅的90°非比例、45°非比例、純扭、單周拉壓載荷組成)下的應(yīng)力壽命曲線。由于在曲線整體中每個載荷塊的內(nèi)應(yīng)力響應(yīng)顯示不明顯，因此根據(jù)曲線整體情況取加載開始、半壽命、和加載結(jié)束附近各一個完整載荷塊作為分析對象。圖中，每一級應(yīng)力響應(yīng)前的點為試驗控制原因引起的載荷命令穩(wěn)定前的應(yīng)力響應(yīng)過渡點。

由圖12可以看出，半壽命附近載荷塊內(nèi)的拉伸應(yīng)力響應(yīng)比加載開始第一個載荷塊內(nèi)相應(yīng)的每一級應(yīng)力響應(yīng)都低，同時也低于加載結(jié)束前載荷塊內(nèi)相應(yīng)的每一級應(yīng)力響應(yīng)值。這說明材料在塊載荷L下拉伸方向先表現(xiàn)出循環(huán)軟化后表現(xiàn)出循環(huán)硬化。而在每一個塊內(nèi)，在每一級控制應(yīng)變載荷下，拉伸應(yīng)力響應(yīng)均是先增加再穩(wěn)定。即在載荷塊內(nèi)，TC21鈦合金在拉伸方向表現(xiàn)為循環(huán)硬化特性。

由圖13可以看出，三個載荷塊內(nèi)每一級應(yīng)變水平下的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力響應(yīng)是依次降低的，因此在整個壽命周期中，TC21鈦合金在扭轉(zhuǎn)方向整體表現(xiàn)為循環(huán)軟化特性。在循環(huán)初期的載荷塊內(nèi)扭轉(zhuǎn)方向的應(yīng)力響應(yīng)表現(xiàn)為軟化特性，而在半壽命附近的載荷塊內(nèi)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力響應(yīng)基本保持穩(wěn)定，沒有表現(xiàn)出軟化硬化特性。

圖14和圖15為塊載荷M下的應(yīng)力壽命曲線。由于在曲線整體中每個載荷塊的應(yīng)力響應(yīng)顯示不明顯，因此根據(jù)曲線整體情況取加載開始、半壽命附近各一個完整載荷塊作為分析對象。圖中，每一級應(yīng)力響應(yīng)前的點為試驗控制原因引起的載荷命令穩(wěn)定前的應(yīng)力響應(yīng)過渡點。

圖14 塊載荷M下拉伸方向應(yīng)力壽命曲線Fig.14 Change ofmaximum axial stress with cycle number under block loading M

圖15 塊載荷M下扭轉(zhuǎn)方向應(yīng)力壽命曲線Fig.15 Change ofmaximum shear stress with cycle number under block loading M

由圖14可以看出，在相應(yīng)的每一級應(yīng)變水平下，半壽命附近載荷塊內(nèi)的拉伸應(yīng)力響應(yīng)低于循環(huán)壽命初期載荷塊內(nèi)的應(yīng)力響應(yīng)，合金在拉伸方向上整體表現(xiàn)為循環(huán)軟化特性。在載荷塊內(nèi)拉伸應(yīng)力響應(yīng)在單軸拉壓載荷和45°非比例載荷下表現(xiàn)為硬化特性，在90°非比例載荷下表現(xiàn)為軟化特性。

由圖15可以看出，在相應(yīng)的每一級應(yīng)變水平下，半壽命附近載荷塊內(nèi)的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力響應(yīng)低于循環(huán)壽命初期載荷塊內(nèi)的應(yīng)力響應(yīng)，合金在扭轉(zhuǎn)方向上整體表現(xiàn)為循環(huán)軟化特性。每個載荷塊內(nèi)，每一級應(yīng)變水平下，扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力響應(yīng)均表現(xiàn)為循環(huán)軟化特性。

4 討論

變幅載荷下合金在整個壽命周期表現(xiàn)出不同的軟硬化特性，且在不同的載荷下每個載荷塊內(nèi)的軟硬化特性均有不同。在完成合金的本構(gòu)關(guān)系曲線時考慮到軟硬化特性帶來的影響，采用循環(huán)穩(wěn)定時的數(shù)據(jù)。同樣在進行壽命預(yù)測時，也要考慮到軟硬化的特性。

合金在相同的等效應(yīng)變幅塊載荷下，非比例載荷和比例載荷不同的加載順序下在拉伸方向表現(xiàn)出了不同的軟硬化特性，在實際加載試驗中，循環(huán)壽命也是不同的。而在疲勞壽命預(yù)測中如果使用線性疲勞損傷累積模型，在不同的加載順序下計算的預(yù)測壽命是相同的。因此，在進行壽命預(yù)測時，為得到更為準(zhǔn)確的計算結(jié)果應(yīng)該使用非線性疲勞損傷累積模型進行計算。

5 結(jié)論

(1)TC21鈦合金在單軸應(yīng)變控制載荷下，在拉伸和扭轉(zhuǎn)方向上均表現(xiàn)出循環(huán)軟化特性。特性等效應(yīng)變幅載荷越大，軟化越明顯，小應(yīng)變幅載荷下基本沒有軟化現(xiàn)象出現(xiàn)。

(2)在多軸比例與非比例應(yīng)變控制載荷下，TC21鈦合金在拉伸和扭轉(zhuǎn)方向上整體表現(xiàn)出循環(huán)軟化。等效應(yīng)變幅載荷越大，軟化越明顯。

(3)在應(yīng)變控制變幅塊載荷下，扭轉(zhuǎn)方向剪應(yīng)力響應(yīng)整體表現(xiàn)為循環(huán)軟化，但在單個載荷塊內(nèi)不同的加載方式和應(yīng)變幅值下表現(xiàn)出不同的軟硬化特性。拉伸方向應(yīng)力響應(yīng)與剪應(yīng)力響應(yīng)的表現(xiàn)有所不同，在90°非比例變幅載荷下表現(xiàn)為軟化，但在單軸和非比例的混合載荷下不同的加載順序表現(xiàn)不同的軟硬化特性，單個載荷塊內(nèi)不同的應(yīng)變幅值下又有不同的軟硬化特性。

［1］虞忠良，趙永慶，周廉，等.TC21合金應(yīng)力控制和應(yīng)變控制的低周疲勞行為［J］.稀有金屬材料與工程，2009，38(2):224-228. (YU Z L，ZHAO Y Q，ZHOU L，et al.Strain and stress controlled low cycle fatigue behaviors of TC21 alloy［J］. Rare Metal Materials and Engineering，2009，38(2):224 -228.)

［2］尚德廣，王德俊.多軸疲勞強度［M］.北京:科學(xué)出版社，2007.

［3］黃利軍，黃旭.Ti-1023鈦合金的低周疲勞行為［J］.稀有金屬材料與工程，2006，35(5):703-705. (HUANG L J，HUANG X.Low cycle fatigue behavior of Ti-1023 titanium alloy at room temperature［J］.Rare Metal Materials and Engineering，2006，35(5):703-705.)

［4］金磊，蘇彬.TA15合金低周疲勞性能研究［J］.航空材料學(xué)報，2005，25(2):16-19. (JIN L，SU B.Research on low cycle fatigue properties of TA15 titanium alloy［J］.Journal of Aeronautical Materials，2005，25(2):16-19.)

［5］ZHANG SQ，LIS J，JIA M.et al.Low-cycle fatigue properties of a titanium alloy exhibiting nonlinear elastic deformation behavior［J］.Acta Materialia，2011，59:4690-4699.

［6］HE'NAFFG，GLOANEC A-L.Fatigue properties of Ti-Al alloys［J］.Intermetallics，2005(13):543-558.

［7］LIFG，YU X L，JIAO L K，et al.Research on low cycle fatigue properties of TA15 titanium alloy based on reliability theory［J］.Materials Science and Engineering(A)，2006，430(1/2):216-220.

［8］IMAM M A，CHU H P，RATH B B，et al.Fatigue properties of titanium alloy Ti–6Al–2Cb–1Ta–0.8Mo［J］.Materials Science and Engineering(A)，2002，323 (1/2):457-461.

［9］馬少俊，吳學(xué)仁，劉建中，等.TC21鈦合金的微觀組織對力學(xué)性能的影響［J］.航空材料學(xué)報，2006，26(5): 22-25. (MA S J，WU X R，LIU JZ，et al.Influence ofmicrostructures on mechanical properties for TC21 titanium alloy［J］.Journal of Aeronautical Materials，2006，26(5):22 -25.)

［10］劉繼波，王連興，王興國.鈦合金B(yǎng)T9低周疲勞變形結(jié)構(gòu)的研究［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2009(4):21-23. (LIU JB，WANG L X，WANG X G.Study on low cycle fatigue deformed structure for titanium alloy BT9［J］. Foundry Equipment and Technology，2009(4):21-23.)

［11］SOBIECKI JR，WIERZCHON T.Structure and properties of plasma carbonitrided Ti– 6Al– 2Cr– 2Mo alloy［J］.Surface＆Coatings Technology，2006，200(14/ 15):4363-4367.

［12］王興國，豐崇友，于海生，等.鈦合金比例及非比例加載低周疲勞行為的研究［J］.佳木斯大學(xué)學(xué)報，2006，24 (1):25-27. (WANG X G，F(xiàn)ENG C Y，YU H S，et al.Study on low cycle fatigue of titanium alloy under proportional and nonproportional load［J］.Journal of Jiamusi University，2006，24(1):25-27.)

［13］蔣小松，何國求，劉兵，等.恒變幅載荷下Al-Si-Mg合金的疲勞行為及微觀結(jié)構(gòu)演變［J］.稀有金屬材料與工程，2010，39(1):459-463. (JIANG X S，HE G Q，LIU B，et al.Fatigue behavior and microstructure evolution of Al-Mg-Si alloy under constant and variable amplitude loadings［J］.Rare MetalMaterials and Engineering，2010，39(1):459-463.)

［14］顏鳴皋，張詩捷，歐陽杰.變幅載荷下材料的疲勞裂紋擴展行為［J］.航空材料學(xué)報，1990，10(10):1-8. (YAN M G，ZHANG S J，OUYANG J.Fatigue crack propagation behaviors of structuralmaterials under variable amplitude loading［J］.Journal of Aeronautical Materials，1990，10(10):1-8.)

［15］SHANG D G，SUN G Q，DENG J，et al.Multiaxial fatigue behavior of Ni-based superalloy GH4169 at 650℃［J］.Materials Science and Engineering(A)，2006，432 (1/2):231-238.