TZ20鈦合金的疲勞行為及其機制研究

陳利濤

(冀南鋼鐵集團有限公司，河北 邯鄲 056300)

TZ20鈦合金的疲勞行為及其機制研究

陳利濤

(冀南鋼鐵集團有限公司，河北 邯鄲 056300)

金屬及合金的疲勞性能和疲勞行為是影響其長期安全服役的一個重要的因素。本文主要研究了鍛造態(tài)和退火態(tài)Ti-20Zr-6.5Al-4V(簡稱TZ20)的疲勞行為和疲勞機制。XRD結(jié)果表明，鍛造態(tài)和退火態(tài)兩種狀態(tài)的TZ20合金均由α相和β相組成。微觀組織分析表明，雖然兩種狀態(tài)下該合金都呈現(xiàn)出典型的網(wǎng)籃組織特征，但是其各相含量及其晶粒尺寸有較大的區(qū)別。疲勞實驗結(jié)果表明，鍛造態(tài)和退火態(tài)合金的條件疲勞極限σ0.1(107)分別為623 MPa和 572 MPa。疲勞斷口分析表明，鍛造試樣疲勞斷口具有多個疲勞裂紋源，而退火試樣的疲勞斷口只有一個疲勞裂紋源。

鈦合金；疲勞；疲勞斷口分析；熱處理

鈦及鈦合金具有良好的理化及力學性能，如低密度、高強度、高比強度、抗腐蝕等,受到航空航天、化工、船舶、醫(yī)療等領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。鋯元素與鈦元素在元素周期表中位置接近，具有非常相似的物理化學性能。因此，關(guān)于Zr元素的添加對鈦及其合金微觀組織及性能的影響的研究受到人們廣泛的關(guān)注[1-4]。近年，發(fā)展了一系列具有超高強度和比強度的Ti-Zr-Al-V系列合金[5,6]。該合金中的代表合金Ti-20Zr-6.5Al-4V[7](以下簡寫TZ20)和Ti-30Zr-5Al-3V[8]合金的抗拉強度能夠超過1600MPa，比強度超過340 MPa/(g/cm3)。良好的力學性能顯示出該系列合金具有作為高端結(jié)構(gòu)材料應用的巨大潛力。

對于金屬及其合金來說，在設(shè)計材料應用時就已經(jīng)設(shè)計了其使用應力一般都要低于其屈服強度的一半。因此，金屬零部件的斷裂很少是因為服役過程中的使用應力過大而發(fā)生的高應力斷裂，絕大部分都是發(fā)生的低應力脆斷的方式失效。其中疲勞斷裂是金屬零部件一種常見的低應力脆斷失效形式。而金屬材料的疲勞性能及疲勞行為對金屬零部件的疲勞壽命即使用壽命起到至關(guān)重要的作用。為了保證金屬零部件能夠長期安全地服役，金屬材料的疲勞性能及疲勞行為越來越受到材料研究人員的關(guān)注[9,10]。然而，針對今年發(fā)展的Ti-Zr-Al-V系列合金的疲勞性能和疲勞行為的研究還相對較少。但是如上所述，金屬材料的疲勞性能和疲勞行為的研究對其長期安全的應用具有很重要的保障意義。因此，對Ti-Zr-Al-V系列合金的疲勞性能的研究將對其實際應用起到重要的促進和推動作用。

本文以TZ20合金為對象，研究了鍛造態(tài)和退火態(tài)Ti-Zr-Al-V系列合金的疲勞性能和疲勞行為及其疲勞機制。本文的研究結(jié)果將對該系列合金的實際應用起到促進和推動作用。

1 實驗材料和過程

將海綿鈦、海綿鋯、工業(yè)純鋁和純釩清洗干燥后，鍛造成電極材料，然后在真空自耗電弧爐中反復熔煉4遍，以保證材料化學成分的均勻性。熔煉后合金錠的實際成分如表1所示[11]。所得到的鑄錠經(jīng)過開坯，鍛造，軋制，熱處理，最終去皮切割成直徑43mm的棒材。后續(xù)所有的試樣都是從該棒材上切取。退火處理是在氬氣保護氛圍的真空管式熱處理爐中進行。熱處理制度為在750℃保溫60min后空冷。相結(jié)構(gòu)采用銅靶的X射線衍射儀測定；采用光學顯微鏡和掃面電子顯微鏡觀察分析不同狀態(tài)試樣的微觀組織和斷面分析。拉伸和疲勞試驗是在電子萬能試驗機上進行。試樣的形狀和尺寸如圖1所示。疲勞測試條件為拉拉疲勞方式，頻率為30Hz，應力比r為0.1。

表1 TZ20鈦合金的實際成分

圖1 拉伸和疲勞試樣的形狀和尺寸

2 實驗結(jié)果

2.1 鍛造態(tài)和退火態(tài)TZ20合金的微觀組織

圖2 鍛造態(tài)和退火態(tài)試樣的XRD圖譜

圖2是鍛造態(tài)和退火態(tài)TZ20合金的XRD圖譜。從圖中可以看出，兩種狀態(tài)的合金均由α相和β相組成。這和以前的結(jié)果相似，因為該合金屬于正規(guī)的兩相鈦合金范圍。雖然兩者具有相同的相組成，但是它們之中各相的含量不同。根據(jù)XRD相分析原理，在同一XRD圖譜中各相相應的峰強度比值與其各自的相含量成正比。通過對比鍛造態(tài)和退火態(tài)兩種試樣的XRD圖譜中兩相對應的衍射峰強度的比較可以得出，鍛造態(tài)試樣中β相所對應的衍射峰的強度比值明顯要大。這證明鍛造態(tài)中試樣的β相的含量比退火態(tài)試樣中的想含量高。導致這一結(jié)果的主要原因為，合金在鍛造后的冷卻方式為空冷，此時合金中的相轉(zhuǎn)變不完全[12]。而退火溫度低于相變溫度的起始溫度，因此在后續(xù)退火過程中合金中未完全轉(zhuǎn)變的β相繼續(xù)向α相轉(zhuǎn)變。所以，退火后試樣中的β相含量比鍛造態(tài)試樣中的含量低。

鍛造態(tài)和退火態(tài)的試樣的微觀組織照片如圖3所示。結(jié)果顯示，兩種狀態(tài)試樣的微觀組織相似，都為典型的網(wǎng)籃組織[13]。但是，比較兩種試樣的微觀組織可以發(fā)現(xiàn)兩種狀態(tài)試樣的微觀組織還是存在區(qū)別。首先，鍛造態(tài)試樣中片狀α相之間的殘余β相的含量明顯比退火態(tài)試樣中的含量多，這和XRD的結(jié)果一致。此外，兩種試樣中α相的晶粒尺寸有所不同。在退火試樣中α相的晶粒比鍛造態(tài)試樣中的短且細小，這些短且細小的α相是殘余的β相在退火過程中發(fā)生繼續(xù)轉(zhuǎn)變成α相的結(jié)果。因為退火的溫度比較低，所以在退火過程中得到的α相的晶粒尺寸較為細小[14]。

圖3 TZ20合金的微觀組織圖片(a)鍛造試樣(b)退火試樣

2.2 鍛造態(tài)和退火態(tài)TZ20合金的拉伸性能

圖4是兩種不同狀態(tài)TZ20合金的拉伸應力-應變曲線。從應力-應變曲線可以獲得合金在不同狀態(tài)下的力學性能。結(jié)果顯示，該合金鍛造后的屈服強度、抗拉強度、斷后延伸率分別為1309 MPa，1429 MPa 和2.4%；退火后試樣的屈服強度、抗拉強度、斷后延伸率分別為1128 MPa，1251 MPa和9.1%。從結(jié)果中可以很容易得到，鍛造態(tài)試樣的強度明顯比退火態(tài)試樣的高，但是塑性也就是斷后延伸率遠遠低于退火試樣。鍛造態(tài)試樣具有較高的強度主要是因為合金中相含量的影響。相關(guān)資料表明，兩相鈦合金中的強度與合金中各相的含量相關(guān)。而退火試樣具有良好的塑性變形能力的主要原因為，短且細小的片層α晶粒[15]。

圖4 鍛造態(tài)和退火態(tài)TZ20合金的拉伸應力-應變曲線

2.3 鍛造態(tài)和退火TZ20合金的疲勞行為和疲勞強度

圖5 鍛造態(tài)和退火態(tài)TZ20合金的疲勞S-N曲線

圖5是鍛造態(tài)和退火態(tài)TZ20合金的疲勞S-N曲線。根據(jù)鍛造態(tài)試樣的S-N曲線，鍛造態(tài)試樣在應力為1000MPa時的疲勞壽命約為3800循環(huán)周次。隨著應力的降低，疲勞壽命逐漸增加。但是在應力高于800MPa時，隨應力的降低，試樣的疲勞壽命增加的較緩慢。當應力低于800MPa后，試樣的疲勞壽命快速增加，如表2所示。當應力低于600MPa時，試樣的疲勞壽命超過107。最終采用升降法得到鍛造態(tài)試樣的條件疲勞極限σ0.1(107)為623MPa。從圖5中還可以得到退火態(tài)試樣的疲勞壽命隨應力的變化趨勢一致。但是與鍛造態(tài)試樣相比，退火態(tài)試樣的疲勞壽命隨應力降低而增加的比較平穩(wěn)，在整個應力范圍內(nèi)的壽命增加比較均勻。這就導致，退火態(tài)試樣在應力大于800MPa時的疲勞壽命增加的比鍛造態(tài)快。但是當應力低于800MPa時，鍛造態(tài)試樣的疲勞壽命增加的較快。最終確定退火態(tài)試樣的疲勞極限為572MPa。

表2 鍛造試樣和退火試樣在應力每降低100MPa時的壽命增量

3 討論

根據(jù)鍛造態(tài)和退火態(tài)TZ20合金的疲勞結(jié)果可知，鍛造態(tài)試樣的疲勞強度比退火態(tài)試樣的高。鍛造態(tài)試樣的疲勞極限較高的主要原因與抗拉強度有關(guān)。根據(jù)資料，金屬材料的疲勞極限與抗拉強度呈正相關(guān)[16]。鍛造態(tài)試樣的抗拉強度比退火態(tài)試樣的抗拉強度高，因此具有較高的疲勞極限。另外，從疲勞極限與抗拉強度的比值結(jié)果可以得到，鍛造態(tài)試樣的疲勞極限與抗拉強度的比值為0.43，比退火態(tài)的比值0.46稍低。這和以前資料的結(jié)果約0.45一致。鍛造態(tài)試樣的疲勞極限與抗拉強度的比值越小的原因除了和其抗拉強度較高相關(guān)外，還和他們的拉伸行為不同有關(guān)。鍛造態(tài)在屈服以后的塑性變形量較小，而退火試樣拉伸過程屈服后經(jīng)過一段較長的塑性變形才斷裂。即，退火試樣的塑性遠高于鍛造試樣，如圖4所示。根據(jù)資料，高強度和低塑性容易導致材料在受力時產(chǎn)生應力集中而導致容易疲勞斷裂，降低疲勞極限和強度的比值。圖6是兩種狀態(tài)試樣疲勞斷口的表面形貌。從疲勞斷口可以看出，鍛造態(tài)試樣和退火態(tài)試樣的疲勞裂紋源均在試樣表面，鍛造態(tài)試樣具有兩個裂紋源，但是退火態(tài)試樣只有一個裂紋源。這一結(jié)果同樣表明，具有高強度較低塑性的鍛造態(tài)試樣容易形成裂紋源而發(fā)生斷裂。S-N曲線表明，兩種狀態(tài)試樣的疲勞壽命增量隨應力的降低不同。在高應力水平如應力高于800MPa時，鍛造試樣的疲勞壽命隨應力的降低增加的較慢。但是在較低應力水平下，鍛造態(tài)試樣的疲勞壽命隨應力的降低增加的非?？?。對于退火試樣來說，在整個應力水平范圍，其疲勞壽命的增加比較穩(wěn)定。資料表明，金屬材料在較高應力水平下容易發(fā)生低周疲勞，而在較低應力水平下容易發(fā)生高周疲勞。高周疲勞主要塑性決定疲勞壽命，而低周疲勞主要由強度決定疲勞壽命。根據(jù)上述拉伸結(jié)果可知，鍛造試樣具有較高的強度和較低的塑性。因此，鍛造試樣的疲勞壽命在較高的應力水平時應塑性較低而具有較慢的壽命增量。而在較低的應力水平時，因其強度高對壽命的影響較大，而具有較快的疲勞壽命增量。

圖6 疲勞斷口表面形貌(a)鍛造態(tài)試樣(b)退火態(tài)試樣

4 結(jié)論

1) 鍛造態(tài)和退火態(tài)TZ20鈦合金的疲勞極限分別為623MPa和572MPa；

2) 鍛造態(tài)試樣的疲勞壽命隨應力降低在高應力水平時增加較慢，在低應力水平時增加較快。退火態(tài)試樣的疲勞壽命隨應力的降低穩(wěn)定的增加；

3) 鍛造態(tài)試樣具有較高的強度和較低的塑性在疲勞時容易產(chǎn)生應力集中而形成疲勞裂紋源和斷裂。

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Fatigue behavior and mechanism of the TZ20 titanium alloy after various treatments

CHEN Li-tao

(JI'NANSTEELGROUPCO.,LTD,HandanHebei056300,China)

Fatigue behavior and properties of metal and alloys is a key factor for ensuring long time and safely applications. The aim of this work is to investigate the fatigue behavior and mechanism of the Ti-20Zr-6.5Al-4V (shorted as TZ20) alloy after forging and annealing treatments. After both forging and annealing treatments, the TZ20 alloy has typical basketweave microstructure which has the characteristic of plate α grains and retained β phase. Although the TZ20 alloy with both states has similar structure, their fatigue behavior and corresponding properties showed obviously difference. The conditional fatigue limit σ0.1(107) is 623 and 572 MPa for forged and annealed specimens, respectively. Fatigue fractured surface analysis also showed different fracture mechanism. Only one crack initiated on surface for annealed specimen but two initiations for forged one were observed in the fatigue fracture surface.

Titanium alloy; Fatigue; Fracture surface analysis; Heat treatment

2017-02-28

河北省自然科學基金資助項目(BJ2014017)

陳利濤(1980-)，男，河北邯鄲人，高級工程師，從事金屬材料工藝、組織、性能及其相關(guān)性方面的研究.

1001-9383(2017)01-0067-06

TG146.2

A