田晨超，高 陽(yáng)，張 娟，焦 磊，翟 翯

（西安漢唐分析檢測(cè)有限公司，西安 710016）

鈦合金由于具有密度低、比強(qiáng)度高、耐高溫、無(wú)磁及可焊等諸多優(yōu)良特性，已被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1-2]。 隨著高可靠性和長(zhǎng)壽命飛行器發(fā)展方向的迫切需求，結(jié)構(gòu)件選材已由最初的靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)思想發(fā)展為現(xiàn)代的損傷容限設(shè)計(jì)理念[3]。 目前，已應(yīng)用于航空主承力疲勞結(jié)構(gòu)件的損傷容限型鈦合金主要有 Ti6Al4V （βELI）、Ti-62222S、TC4-DT 及 TC21 等，該類(lèi)鈦合金主要通過(guò)β 熱處理、β 變形及降低間隙元素含量的技術(shù)途徑獲得，國(guó)產(chǎn) TC4-DT 為 α+β 雙態(tài)組織的中強(qiáng)損傷容限型鈦合金[4]，TC21 為網(wǎng)籃狀或三態(tài)組織的高強(qiáng)損傷容限型鈦合金[5]，均具備高的斷裂韌度KIC 及低的裂紋擴(kuò)展速率da/dN，以達(dá)到調(diào)整組織形態(tài)滿(mǎn)足損傷容限的目的。

目前，結(jié)合加載條件、熱加工工藝、組織形態(tài)及成型工藝對(duì)TC4-DT 及TC21 損傷容限型鈦合金的主要表征參量斷裂韌度及裂紋擴(kuò)展速率研究居多，取得了優(yōu)化工藝參數(shù)、成型方式及裂紋擴(kuò)展速率理論模型建立等眾多研究成果[6-9]。 本研究依據(jù)新版疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)方法[10]，通過(guò)對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)的TC4-DT 及TC21 損傷容限型鈦合金da/dN的測(cè)試，詳盡比對(duì)分析了二者的差異性，為航空航天領(lǐng)域更好地使用該類(lèi)鈦合金提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)材料采用國(guó)產(chǎn)的TC4-DT （準(zhǔn)β 退火+二次退火態(tài)） 棒材和TC21 （熱軋態(tài)） 鈦合金鍛件，TC4-DT 的強(qiáng)塑性低于 TC21，而斷裂韌度則較高，見(jiàn)表1。 依據(jù)疲勞裂紋擴(kuò)展方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6398—2017，加工厚度為 12.5 mm 的標(biāo)準(zhǔn)緊湊拉伸CT 試樣，寬度為50 mm。 CT 試樣的缺口形式為標(biāo)準(zhǔn)的T 形，線(xiàn)切割缺口長(zhǎng)度為7 mm。為滿(mǎn)足產(chǎn)品特性的要求，TC4-DT 取樣方向?yàn)門(mén)L，TC21 取樣方向?yàn)?C-R。

試驗(yàn)設(shè)備采用MTS 370.10 電液伺服低周疲勞試驗(yàn)機(jī)，最大靜動(dòng)載荷±100 kN，載荷準(zhǔn)確度0.5 級(jí)。 裂紋長(zhǎng)度的測(cè)量采用柔度法，所選位移歸的標(biāo)距為12 mm，具備足夠的分辨率及動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)。 試驗(yàn)機(jī)的載荷準(zhǔn)確度、同軸度、位移速度及配套位移歸的準(zhǔn)確度均在檢定計(jì)量的有效期內(nèi)，滿(mǎn)足測(cè)試要求。

表1 試驗(yàn)材料的常規(guī)力學(xué)性能

2 試驗(yàn)方法

疲勞裂紋預(yù)裂及裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗(yàn)前對(duì)CT 試樣的厚度和寬度進(jìn)行測(cè)量，分別采用足夠分辨率的外徑千分尺及大型工具顯微鏡進(jìn)行三點(diǎn)實(shí)際測(cè)量，取測(cè)量結(jié)果的平均值用于應(yīng)力強(qiáng)度因子K 的計(jì)算。疲勞裂紋的預(yù)制及裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)的加載波形為正弦波，頻率 15 Hz，力值比 0.1。 疲勞裂紋的預(yù)制采用固定的最終最大應(yīng)力強(qiáng)度因子Kmax控制，可依據(jù)斷裂韌度KIC值選取。 預(yù)制裂紋長(zhǎng)度大于3 mm，以滿(mǎn)足最小預(yù)裂紋長(zhǎng)度的要求。預(yù)制裂紋試驗(yàn)完成后，可獲得最終裂紋長(zhǎng)度相對(duì)應(yīng)的最大載荷值，采用高于此載荷值的恒載控制模式開(kāi)始裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，以確保數(shù)據(jù)采集時(shí) da/dN＞1×10-5mm/cycle。

表2 疲勞裂紋預(yù)制及擴(kuò)展試驗(yàn)參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

基于標(biāo)準(zhǔn)，本次試驗(yàn)未對(duì)損傷容限鈦合金的疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN＝10-7mm/cycle 時(shí)的應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍門(mén)檻值ΔKth進(jìn)行測(cè)定，主要獲取了da/dN＞10-5mm/cycle 的中速穩(wěn)態(tài)及高速失穩(wěn)裂紋擴(kuò)展區(qū)，TC4-DT 及TC21 鈦合金疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線(xiàn)如圖1 所示。

圖1 TC4-DT 及TC21 鈦合金疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線(xiàn)

由da/dN 曲線(xiàn)圖可見(jiàn)，TC4-DT 低速擴(kuò)展區(qū)較 TC21 偏右、下，即裂紋尖端處 ΔK 相同時(shí)，TC4-DT 初始階段的 da/dN 較小，也可推測(cè)出TC4-DT 較 TC21 具有更高的門(mén)檻值 ΔKth，裂紋擴(kuò)展啟裂的阻力更大。 隨著裂紋擴(kuò)展量的增加，ΔK 隨之增加，裂紋擴(kuò)展速率逐漸進(jìn)入穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段 Paris 區(qū)，在應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍 ΔK 處于24～31 MPa·m1/2時(shí)，裂紋擴(kuò)展速率曲線(xiàn)基本重合，此時(shí)的 da/dN 基本相當(dāng)。 隨 ΔK 的進(jìn)一步增加，TC21 在 ΔK 越過(guò) 33 MPa·m1/2時(shí)，即相當(dāng)于斷裂韌度KIC的53%時(shí)，裂紋擴(kuò)展速率急劇增加，進(jìn)入高速失穩(wěn)擴(kuò)展階段。 不同之處在于，中強(qiáng)損傷容限鈦合金TC4-DT 的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段更長(zhǎng)，裂紋的行程范圍約在18.5～33 mm，而TC21約為 17～29.5 mm。 對(duì) TC4-DT 而言，當(dāng) ΔK 達(dá)到50 MPa·m1/2之后，即 KIC值的 49%時(shí)，裂紋擴(kuò)展速率會(huì)較快的達(dá)到失穩(wěn)擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)。

綜合考慮傳統(tǒng)理論模型在裂紋擴(kuò)展各階段的適用性，研究可表征模擬計(jì)算全范圍疲勞裂紋擴(kuò)展速率數(shù)學(xué)表達(dá)式的工作也已展開(kāi)[6，11]。 本試驗(yàn)采用經(jīng)典的Paris 模型對(duì)損傷容限型結(jié)構(gòu)件用鈦合金穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)進(jìn)行描述，通過(guò)雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)的線(xiàn)性擬合，得出TC4-DT 的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：da/dN=1.727 667E-8（ΔK）3.05578，da/dN=1.110 785E-8 （ΔK）3.21462。 TC21 的數(shù)學(xué)表達(dá) 式為 ：da/dN=6.524 842E-8（ΔK）2.70717，da/dN=3.957 036E-8（ΔK）2.87169，各材料參數(shù)的擬合誤差小于2%。

相關(guān)研究表明[12-13]，鈦合金的顯微組織及結(jié)構(gòu)參數(shù)、晶粒尺寸及位向分布、初生α 相體積分?jǐn)?shù)等均對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率產(chǎn)生影響，依照粗片狀、細(xì)片狀、粗等軸、雙態(tài)、細(xì)等軸的組織演變規(guī)律，其斷裂韌度KIC及抗宏觀(guān)裂紋擴(kuò)展能力依次降低，抗微裂紋擴(kuò)展能力則相反。 da/dN 的低速擴(kuò)展區(qū)，TC4-DT 與TC21 裂紋面的起伏較大 （見(jiàn)圖 2）。 研究表明[14]，該階段在低應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK 的作用下主要以短裂紋的形式擴(kuò)展，相比于晶粒尺寸，較小的塑性區(qū)尺寸造成裂紋擴(kuò)展主要以純剪切的形式沿主滑移系方向進(jìn)行，擴(kuò)展路徑呈 “Z” 形鋸齒狀，宏觀(guān)斷口形貌粗糙度較大，該區(qū)裂紋擴(kuò)展速率表現(xiàn)為組織敏感區(qū)。 通過(guò)進(jìn)一步比對(duì)觀(guān)察TC4-DT 與TC21 低速擴(kuò)展區(qū)的宏觀(guān)斷口形貌，TC4-DT 較 TC21 斷裂面更為粗糙，起伏更大，主要是由于裂紋擴(kuò)展的曲折路徑導(dǎo)致的，裂紋行進(jìn)的曲折路徑增加了裂紋擴(kuò)展的實(shí)際距離。 此外，強(qiáng)度級(jí)別的差異，在同樣的ΔK 作用下，TC4-DT較TC21 具有更大的裂紋尖端塑性區(qū)。 曲折的擴(kuò)展路徑及較大的裂紋尖端塑性區(qū)尺寸均會(huì)增加裂紋的閉合程度，從而減小實(shí)際有效裂紋長(zhǎng)度，TC4-DT 表現(xiàn)出更低的裂紋擴(kuò)展速率。

恒載控制模式下，隨著裂紋長(zhǎng)度的增加，裂紋擴(kuò)展速率逐漸進(jìn)入穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)。 TC4-DT 與TC21 在該區(qū)的起始階段da/dN 基本相當(dāng)，取決于斷裂模式的轉(zhuǎn)變，由低速階段的晶體學(xué)鋸齒模式向輝紋模式過(guò)渡，該過(guò)程表現(xiàn)為組織不敏感。研究表明[15]，隨著裂紋尖端塑性區(qū)尺寸的增加，裂紋擴(kuò)展由低速區(qū)的 “Z” 字形轉(zhuǎn)變?yōu)檠卮怪庇谶h(yuǎn)場(chǎng)拉應(yīng)力的平面裂紋擴(kuò)展路徑，疲勞斷口形貌較為平滑 （見(jiàn)圖2）。 疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線(xiàn)可見(jiàn)，隨著 ΔK 的增加，TC4-DT 較 TC21 穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)更長(zhǎng)，主要是因?yàn)橹袕?qiáng)損傷容限型鈦合金TC4-DT 較TC21 具有更大的裂紋尖端塑性區(qū)尺寸，循環(huán)載荷作用下，較大的塑性區(qū)尺寸必然導(dǎo)致主裂紋的分叉及二次微裂紋的萌生擴(kuò)展，致使裂紋尖端的應(yīng)力得到釋放，消耗更多的能量，延緩穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)，斷口形貌則較為粗糙。 在TC4-DT 及 TC21 斷裂韌度 KⅠC的測(cè)試中，見(jiàn)圖3 的載荷-位移 （P-V） 曲線(xiàn)，兩類(lèi)鈦合金均滿(mǎn)足裂紋尖端平面應(yīng)變狀態(tài)小范圍屈服條件。 不同的是，TC4-DT 的 P-V 曲線(xiàn)最大力Fmax與特定條件力FQ之比 （Fmax/FQ） 較 TC21 高，側(cè)面佐證了 TC4-DT具有較TC21 裂紋尖端更大的塑性區(qū)尺寸。

圖2 TC4-DT 及TC21 鈦合金疲勞裂紋擴(kuò)展宏觀(guān)斷口

圖3 TC4-DT 及TC21 鈦合金斷裂韌度載荷-位移曲線(xiàn)

同時(shí)，隨著ΔK 的進(jìn)一步增加，da/dN 隨之快速增加達(dá)到失穩(wěn)擴(kuò)展階段，斷裂方式與拉伸類(lèi)似，斷口形貌呈現(xiàn)出韌窩狀，斷裂面的粗糙度增加。

基于TC4-DT 及TC21 損傷容限型鈦合金常規(guī)力學(xué)性能及損傷容限表征參量的比對(duì)分析結(jié)果，兩類(lèi)鈦合金具有高低強(qiáng)度搭配及損傷容限性能優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的特性，均已成為我國(guó)新一代飛機(jī)制造首選的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料[2]。 TC4-DT 鈦合金由于具有優(yōu)良的電子束焊接性能，可用于飛行器大型結(jié)構(gòu)件的制造，而TC21 鈦合金所具有的更高強(qiáng)度及耐久性，適用于諸如起落架等重要承力部件的生產(chǎn)。

通過(guò)兩類(lèi)鈦合金損傷容限表征參量的比對(duì)分析，TC4-DT 與TC21 在疲勞裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)的特性及斷裂韌度的差異，對(duì)已損傷構(gòu)件剩余壽命的計(jì)算或在耐久性設(shè)計(jì)中應(yīng)加以重視。

4 結(jié) 論

（1） 低速擴(kuò)展階段，TC4-DT 較 TC21 鈦合金的裂紋擴(kuò)展速率da/dN 更小，宏觀(guān)斷口形貌粗糙度較大。

（2） 裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍 ΔK 處于24～31 MPa·m1/2的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段時(shí)，TC4-DT 與TC21 疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線(xiàn)基本重合，且TC4-DT 較TC21 具有更長(zhǎng)的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)，宏觀(guān)斷口形貌較為平滑。

（3） TC4-DT 與 TC21 鈦合金的 ΔK 約為斷裂韌度裂KIC的50%時(shí)，疲勞裂紋擴(kuò)展速率很快進(jìn)入失穩(wěn)擴(kuò)展階段，斷裂面粗糙度增加。