季英萍, 吳素君

Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V鈦合金（TA15）是一種高鋁含量的近α型中強(qiáng)度鈦合金。它具有中等的室溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度，良好的熱穩(wěn)定性和焊接性能，較高的比強(qiáng)度、抗蠕變性和耐腐蝕性[1]，目前已被廣泛應(yīng)用于制造高性能飛機(jī)的重要結(jié)構(gòu)件和焊接承力結(jié)構(gòu)件，如飛機(jī)隔框、壁板等工作溫度較高，受力較復(fù)雜的重要結(jié)構(gòu)零件，是國(guó)內(nèi)外先進(jìn)飛機(jī)機(jī)體的主體材料[2-4]。在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，飛機(jī)飛行狀態(tài)經(jīng)常改變，機(jī)體構(gòu)件所承受的應(yīng)力時(shí)刻發(fā)生變化，處于交變應(yīng)力的負(fù)載狀態(tài)，極易發(fā)生疲勞失效，因此針對(duì)TA15合金疲勞性能的研究具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

目前，對(duì)TA15鈦合金的疲勞性能研究已經(jīng)比較廣泛，主要包括顯微組織對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響規(guī)律[5-6]，低周疲勞性能[7]；不同應(yīng)力水平下的室溫高周疲勞性能[8-9]，焊接接頭不同區(qū)域的疲勞裂紋擴(kuò)展行為[10]等；但大多學(xué)者都只是集中于單一應(yīng)力比R條件下的疲勞性能研究，對(duì)不同應(yīng)力比R條件下該合金的疲勞裂紋擴(kuò)展性能的研究卻鮮有報(bào)道。研究發(fā)現(xiàn)，鈦合金疲勞裂紋擴(kuò)展行為具有較明顯的應(yīng)力比效應(yīng)[11-16]，因此有必要對(duì)不同應(yīng)力比R條件下的TA15合金的疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行細(xì)致深入的研究。

本工作采用三點(diǎn)彎曲試樣，對(duì)TA15合金進(jìn)行三個(gè)應(yīng)力比（R = 0.1，0.3和0.5）下的疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，研究應(yīng)力比R對(duì)TA15合金疲勞裂紋擴(kuò)展行為和斷裂機(jī)理的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料為北京航空制造工程研究所提供的TA15合金，其化學(xué)成分和顯微組織分別見(jiàn)表1和圖1。從圖1中可以看出，TA15合金的顯微組織為雙態(tài)組織，大量尺寸不均勻的球狀和條狀的初生α （αp）相分布在 β 轉(zhuǎn)變（βt）基體上。

表1 TA15合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 1 Chemical composition of TA15 alloy（mass fraction/%）

疲勞裂紋擴(kuò)展速率實(shí)驗(yàn)采用三點(diǎn)彎曲試樣測(cè)試，試樣按照GB/T6398—2000《金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)方法》要求加工，其外形尺寸為80 mm × 16 mm × 8 mm。試樣加工以及裂紋初始位置示意圖如圖2所示。

TA15合金疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)在Instron8801疲勞試驗(yàn)機(jī)上完成。實(shí)驗(yàn)溫度為室溫，采用恒力增大應(yīng)力強(qiáng)度因子K的實(shí)驗(yàn)方法，應(yīng)力比R分別采用0.1，0.3和0.5，加載波形為正弦波，頻率為10 Hz，最大載荷Pmax= 1.2 kN。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用COD規(guī)測(cè)量試樣裂紋的張開(kāi)位移，并采用柔度法計(jì)算裂紋長(zhǎng)度。試樣斷裂后，采用JSM-5800掃描電鏡（SEM）觀(guān)察斷口形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線(xiàn)

TA15合金在應(yīng)力比R = 0.1，0.3和0.5 時(shí)疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線(xiàn)如圖3所示。從圖3可以看出，不同R條件下的曲線(xiàn)均存在三個(gè)階段，即近門(mén)檻擴(kuò)展區(qū)、穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)和快速擴(kuò)展區(qū)，且隨著應(yīng)力比R的增大，da/dN-ΔK曲線(xiàn)向左即低ΔK方向移動(dòng)。另外，裂紋擴(kuò)展對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK的范圍以及進(jìn)入穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段的應(yīng)力強(qiáng)度因子（擴(kuò)展門(mén)檻值ΔKth）也不同。結(jié)合表2可以看出，隨著R的増大，裂紋擴(kuò)展對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK范圍和ΔKth都變小。如R = 0.1時(shí)，裂紋擴(kuò)展對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子 ΔK 的范圍為 18.4～49.8，ΔKth= 18.8；而當(dāng) R = 0.5時(shí)，裂紋擴(kuò)展對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK的范圍降低為 7.5～20.2，ΔKth減小到 8.2。由此可見(jiàn)，TA15 合金的da/dN-ΔK曲線(xiàn)與應(yīng)力比R有很強(qiáng)的相關(guān)性。應(yīng)力比R可以顯著影響裂紋從近門(mén)檻值裂紋擴(kuò)展區(qū)域發(fā)展到穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)域的應(yīng)力強(qiáng)度因子和發(fā)生失穩(wěn)斷裂的應(yīng)力強(qiáng)度因子。高應(yīng)力比R作用下的裂紋在較小的ΔK作用下就進(jìn)入了快速擴(kuò)展階段，并快速斷裂。因此，小的應(yīng)力比R有利于提高TA15合金的疲勞裂紋發(fā)生穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展和失穩(wěn)所需的應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK，這與應(yīng)力比R對(duì)其他鈦合金疲勞裂紋擴(kuò)展行為的研究結(jié)果一致[16-18]。

表2 不同應(yīng)力比作用下疲勞裂紋擴(kuò)展（FCG）的ΔK范圍和門(mén)檻值ΔKthTable 2 Scope of ΔK and threshold value （ΔKth） of FCG at different load ratios

在疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線(xiàn)的中間部分，即疲勞裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段，三個(gè)應(yīng)力比測(cè)試條件下的數(shù)據(jù)有些重合，但依然可見(jiàn)在同一ΔK作用下，應(yīng)力比R越大，疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN越大。這與Dubey對(duì)Ti-6Al-4V合金不同應(yīng)力比R下的da/dN-ΔK曲線(xiàn)變化規(guī)律一致[19]。不同應(yīng)力比R = 0.1，0.3和0.5對(duì)應(yīng)的Paris公式，即Paris = C（ΔK）m擬合結(jié)果分別如式（1），（2）和（3）所示。對(duì)比 3 個(gè)式子可以看出，Pairs公式的兩個(gè)重要參數(shù)C和m在疲勞裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展中隨著應(yīng)力比變化而變化，即C隨著應(yīng)力比的增加而增大，而m呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

2.2 斷口形貌

不同應(yīng)力比R作用下疲勞裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)的斷口形貌如圖4所示。從圖4可以看出，不同應(yīng)力比R作用下試樣的疲勞斷口表面特征相似，即可見(jiàn)一些疲勞臺(tái)階和二次裂紋。二次裂紋的形成，消耗了更多的能量，使長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展相對(duì)艱難；同時(shí)在主裂紋擴(kuò)展方向上，疲勞臺(tái)階特征非常明顯，這是由于當(dāng)裂紋擴(kuò)展跨越晶粒沿晶界擴(kuò)展時(shí)，裂紋面跨越距離較大造成的。另外，從圖4還可以看出，疲勞斷口上分布著明顯且穩(wěn)定的疲勞條帶，這些近平行的疲勞條帶與裂紋的主擴(kuò)展方向垂直，且條帶間存在著明顯的垂直于裂紋擴(kuò)展方向的二次疲勞裂紋，并伴有晶粒之間的撕裂棱，由此可以說(shuō)明其裂紋擴(kuò)展機(jī)制為穿晶模式。對(duì)比圖4（a），（b）和（c）發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)力比 R 的增加，試樣斷口表面粗糙度增加，二次裂紋減小，但裂紋擴(kuò)展機(jī)制相同，均為穿晶模式。

隨著應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值ΔK逐漸增大，疲勞裂紋不斷擴(kuò)展，疲勞裂紋轉(zhuǎn)入快速擴(kuò)展階段，圖5所示為試樣在不同應(yīng)力比R作用下疲勞裂紋快速擴(kuò)展的斷口形貌。與穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段的斷口（圖4）對(duì)比可見(jiàn)，試樣快速擴(kuò)展階段斷口同樣存在二次裂紋和疲勞臺(tái)階特征，但是斷口凹凸性變大；且隨著應(yīng)力化R的增大，斷面上的凸塊越來(lái)越多，但體積明顯減小。

本實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，TA15合金的疲勞裂紋擴(kuò)展行為與應(yīng)力比R有很強(qiáng)的相關(guān)性，在同一ΔK時(shí)，隨著R增大，TA15合金的疲勞裂紋擴(kuò)展速率提高，這與該合金的斷裂機(jī)理有關(guān)。從斷裂形貌上可以看出當(dāng)R較小時(shí)，二次裂紋分叉多且深，這些二次裂紋分散了主裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)，使主裂紋擴(kuò)展過(guò)程所消耗的總能量增大，降低了主裂紋擴(kuò)展的速率[20]。因此，小的應(yīng)力比R有利于提高TA15合金的疲勞裂紋發(fā)生穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展和失穩(wěn)所需的應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK，降低擴(kuò)展速率。另外，從Forman公式可知，在相同應(yīng)力強(qiáng)度因子幅ΔK的條件下，隨著應(yīng)力比R的增大，da/dN增大，即疲勞裂紋擴(kuò)展速率加快。即式（4）：

式中：C和m是材料常數(shù)，R是應(yīng)力比，Kc是斷裂韌度。

本實(shí)驗(yàn)研究有效的證明了Forman公式的適用性。

3 結(jié)論

（1）在應(yīng)力比R = 0.1到0.5的范圍內(nèi)，隨著R的增大，da/dN-ΔK曲線(xiàn)向低ΔK方向移動(dòng)，裂紋擴(kuò)展對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK范圍和疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值ΔKth都減小。

（2）TA15合金的da/dN-ΔK曲線(xiàn)與應(yīng)力比R有很強(qiáng)的相關(guān)性，在同一ΔK時(shí)，隨著R增大，TA15合金的疲勞裂紋擴(kuò)展速率提高。

（3）在 R = 0.1，0.3和 0.5條件下，TA15合金疲勞裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)的斷口均由疲勞臺(tái)階和二次裂紋組成，且隨著R增大，斷口表面粗糙度增加，但二次裂紋減小。試樣的疲勞斷裂均表現(xiàn)為穿晶模式。

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