兩種組織鈦合金薄板彎曲疲勞性能的研究

杜 勤 張 渠 信明宇

(國(guó)營(yíng)第六一八廠，北京 100072)

兩種組織鈦合金薄板彎曲疲勞性能的研究

杜 勤 張 渠 信明宇

(國(guó)營(yíng)第六一八廠，北京 100072)

以具有(α+β)等軸組織和α/β粗片層組織的TC11鈦合金為研究對(duì)象，研究了TC11合金薄板樣品在恒總應(yīng)變幅控制下的彎曲疲勞性能及其損傷行為，通過對(duì)疲勞開裂路徑和斷裂的觀察與表征，探討了疲勞損傷與組織結(jié)構(gòu)間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，恒總應(yīng)變幅控制下的等軸組織TC11鈦合金薄板的彎曲疲勞性能明顯高于粗片層組織合金;等軸組織合金的疲勞裂紋沿α相中的滑移帶萌生并擴(kuò)展，片層組織樣品疲勞裂紋沿著α相或與片層垂直的方向擴(kuò)展。

TC11鈦合金 彎曲疲勞性能 疲勞開裂

鈦合金因具有比強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點(diǎn)而被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域。隨著各國(guó)軍事工業(yè)的發(fā)展，鈦的應(yīng)用領(lǐng)域正在被不斷拓寬。至今，鈦合金已在航空航天、核能、艦船、兵器等諸多領(lǐng)域獲得越來越多的應(yīng)用，成為重要的戰(zhàn)略金屬材料。鈦合金應(yīng)用水平已成為衡量一個(gè)國(guó)家武器裝備先進(jìn)程度，反映一個(gè)國(guó)家的軍事水平和軍事實(shí)力的重要指標(biāo)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由最初的靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)、安全壽命設(shè)計(jì)發(fā)展到損傷容限設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方法的發(fā)展更多地應(yīng)用到了材料的斷裂韌性和疲勞裂紋的擴(kuò)展性能。因此深入研究TC11(Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si)合金疲勞性能、損傷行為及組織結(jié)構(gòu)的影響對(duì)于合金的損傷容限設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。

在過去的幾十年里，人們關(guān)于鈦合金的疲勞性能開展了大量的研究。對(duì)于光滑Ti合金試樣在對(duì)稱循環(huán)高頻應(yīng)力作用下，球狀組織比片狀組織有更高的疲勞強(qiáng)度，同時(shí)，組織越細(xì)疲勞性能越好。在4種典型組織中，疲勞性能由好到差的順序依次為等軸組織、混合組織、網(wǎng)籃組織、魏氏組織。盡管這些研究揭示了顯微組織對(duì)鈦合金疲勞性能的影響，但仍缺乏深入細(xì)致的研究工作。為此，筆者選取了具有α/β粗片層組織的TC11鈦合金薄板作為研究對(duì)象，對(duì)鈦合金的室溫彎曲疲勞性能進(jìn)行了研究，探究TC11鈦合金組織結(jié)構(gòu)對(duì)彎曲疲勞性能的影響規(guī)律，進(jìn)一步澄清其疲勞損傷機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)的原始材料為具有(α+β)的兩相等軸組織TC11鈦合金織鈦合金，TC11合金的成分見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)用樣品的化學(xué)成分

為了獲得片層組織，對(duì)TC11合金進(jìn)行熱處理，將合金加熱到1040℃、保溫30min后隨爐冷卻，獲得α/β片層組織。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

疲勞實(shí)驗(yàn)采用懸臂梁彎曲疲勞加載的方式，疲勞樣品為懸臂梁試樣。用線切割切取厚度約為0.5 mm厚的懸臂梁薄板樣品，然后依次用400、800、1200、2000號(hào)砂紙減薄至厚度為60μm，最后用拋光液(高氯酸和冰乙酸)在電壓為20V下電解拋光，隨后用大量的蒸餾水沖洗，再用酒精沖洗，并用電吹風(fēng)吹干。

懸臂梁彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)在自制的電磁力疲勞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)原理已在文獻(xiàn)［6］中詳細(xì)描述。在疲勞實(shí)驗(yàn)過程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集樣品的電阻隨疲勞時(shí)間(周次)的變化。當(dāng)懸臂梁樣品發(fā)生斷裂時(shí)，測(cè)得的懸臂梁電阻將趨近無窮大，由此可以確定在給定恒總應(yīng)變幅作用下的TC11合金微懸臂梁樣品的疲勞壽命;同時(shí)要進(jìn)行TC11鈦合金的室溫拉伸試驗(yàn)，求出相應(yīng)的抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度以及均勻延伸率，最后利用掃描電子顯微鏡觀察以及激光共聚焦顯微鏡對(duì)樣品觀察與表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 彎曲疲勞性能

圖1為具有(α+β)等軸組織和α/β粗片層組織的TC11鈦合金的彎曲疲勞壽命與外加應(yīng)變幅間關(guān)系圖。由圖1可以看出，等軸組織的TC11鈦合金的疲勞性能明顯優(yōu)于片層組織合金。在低周疲勞區(qū)，兩者的彎曲疲勞性能差別很大;在高周低應(yīng)變幅區(qū)，兩者差別相對(duì)減小，但是仍然可以看出等軸組織的疲勞極限高于片層組織的疲勞極限。

圖1 種組織結(jié)構(gòu)TC11鈦合金薄板的彎曲疲勞壽命與外加應(yīng)變之間的關(guān)系

2.2 疲勞開裂路徑

圖2為兩種組織TC11合金疲勞斷裂行為的掃描電鏡觀察照片。

圖2 兩種組織TC11鈦合金薄板的彎曲疲勞開裂行為的掃描電鏡觀察照片

從圖2中可以看出，疲勞斷裂路徑與加載軸(豎直方向)基本垂直。而進(jìn)一步高倍觀察表明，疲勞裂紋擴(kuò)展路徑較曲折，如圖2(a)所示。一部分裂紋沿等軸組織的α/β界面開裂，如圖2(b)中箭頭所指，還有一部分裂紋較直，沿一定的平面擴(kuò)展。詳細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，疲勞裂紋在α相中沿滑移面萌生。裂紋萌生后沿滑移面擴(kuò)展，當(dāng)遇到α相時(shí)局部沿α/β界面擴(kuò)展。

圖2(c)和(d)為片層組織TC11合金疲勞斷裂行為的掃描電鏡觀察照片。由圖2(c)的低倍觀察可以看出，疲勞斷裂路徑與加載軸(豎直方向)基本垂直。而進(jìn)一步高倍觀察表明，疲勞裂紋擴(kuò)展路徑也較曲折，如圖2(d)所示。裂紋通常沿著α/β界面或與α/β界面垂直的方向交替擴(kuò)展，如圖2(d)中箭頭所指。對(duì)裂紋擴(kuò)展進(jìn)行了進(jìn)一步觀察，裂紋在一個(gè)α集束內(nèi)沿著垂直于集束片層的方向擴(kuò)展，有時(shí)沿平行于集束方向擴(kuò)展并很快垂直于集束方向擴(kuò)展。當(dāng)裂紋擴(kuò)展集束邊界時(shí)，改變了擴(kuò)展方向，沿著與α集束方向成一定角度擴(kuò)展。

2.3 疲勞斷口

由于樣品的厚度僅為60μm，因此這些沿滑移面的晶體學(xué)裂紋可以貫穿整個(gè)樣品，導(dǎo)致斷口出現(xiàn)晶體學(xué)平面。圖3為(α+β)和α/β兩種組織合金樣品的疲勞斷口觀察照片。

由圖3(a)可以看出，合金的斷口中出現(xiàn)了若干小平面特征。小平面具有不同的取向方向，觀察圖2(a)和圖2(b)，可以認(rèn)為這些小平面為沿α相中滑移面開裂的晶體學(xué)面。片層組織合金薄箔樣品的疲勞斷口的掃描電鏡觀察表明，斷口出現(xiàn)大的臺(tái)階，兩個(gè)臺(tái)階從樣品的兩個(gè)表面向樣品的中部會(huì)齊，在近中部形成一個(gè)“脊”。高倍觀察表明，這些臺(tái)階由若干小的臺(tái)階組成，這主要是由于裂紋沿著或與α片層成一定角度擴(kuò)展而所致，如圖3(b)所示。

圖3 兩種組織TC11鈦合金薄板的彎曲疲勞斷口的掃描電鏡觀察照片

綜上所述，等軸組織TC11鈦合金的疲勞性能明顯要高于片層組織合金的疲勞性能。根據(jù)對(duì)等軸組織和片層組織TC11鈦合金的微觀組織的觀察和對(duì)比可知，片層組織樣品的晶粒明顯大于等軸組織樣品的晶粒，細(xì)化晶粒將明顯提高鈦合金的強(qiáng)度、塑性和疲勞性能。由于本研究采取的是微尺度樣品，從塊體多晶TC11鈦合金中制備僅在厚度方向含有單一集束片層取向的疲勞樣品，對(duì)其進(jìn)行疲勞性能及疲勞損傷行為的研究，這就最大限度地減小了塊體多晶樣品中存在各種晶體取向的晶粒以及各種α集束片層取向的影響。由樣品的開裂行為和斷口觀察可以看出，等軸組織合金的疲勞裂紋主要從α相中的滑移帶中萌生，然后沿滑移帶擴(kuò)展，當(dāng)遇到α/β界面時(shí)，沿界面擴(kuò)展，并進(jìn)一步沿另一個(gè)α相中的滑移帶擴(kuò)展;對(duì)于片層組織合金，其疲勞裂紋多數(shù)沿著與片層垂直或平行的方向擴(kuò)展。這些組織結(jié)構(gòu)對(duì)TC11合金的裂紋萌生和擴(kuò)展行為的影響導(dǎo)致了其疲勞性能上的差異。

3 結(jié)論

(1)恒總應(yīng)變幅控制下的等軸組織TC11鈦合金薄板的彎曲疲勞性能明顯高于粗片層組織合金的疲勞性能。

(2)等軸組織合金的疲勞裂紋沿α相中的滑移帶萌生并擴(kuò)展，片層組織樣品疲勞裂紋沿著α相或與片層垂直的方向擴(kuò)展。由于組織結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致了兩種組織合金疲勞裂紋擴(kuò)展抗力的不同。

［1］鮑麗索娃·E A.鈦合金金相學(xué)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1986(6)：57-59.

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［3］孟亮，張寶昌，何明，等.雙重退火與變形水冷工藝對(duì)TC11鈦合金組織和性能的影響［J］.機(jī)械工程材料，1989，13(5)：38-40.

［4］孟亮，張寶昌，蕭長(zhǎng)纓，等.拉伸塑性對(duì)TC1150℃循環(huán)應(yīng)變疲勞的影響［J］.航空學(xué)報(bào)，1991，41(2)：160-165.

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RESEARCH ON BENDING FATIGUE PERFORMANCE OF TWO KINDSOF ORGANIZATION TC11 TITANIUM ALLOY THIN STEEL PLATE

Du qin ，Zhang Qu，Xin Mingyu
(State Owned Plant No.618，Beijing 100072，China)

A(α +β)equiaxed organizations andα/βcoarse lamellar TC11 titanium alloy were selected for researching the bending fatigue and the damage behaviorthe of the TC11 alloy sheet sample at a constant total strain amplitude-control.Relationship between fatigue damage and the structure and organization was studied.Itwas found that under constant total strain amplitude control bending fatigue performance of equiaxed organization TC11 titanium alloy sheetwas significantly higher than that of the coarse lamellar alloy.Fatigue crack of equiaxed alloys organization initiated and expanded along theα phase and the fatigue crack of lamellar samples expanded along the lamellarα phase or vertical direction.

TC11 titanium alloy，bending fatigue，fatigue cracking

2011-10-10