TA2受電弓角斷裂失效分析

(中國船舶重工集團(tuán)公司 第七二五研究所，洛陽 471039)

鈦及鈦合金具有比強度高、中溫性能好，耐腐蝕性好等優(yōu)點。在室溫下，鈦及鈦合金的比強度高于高強鋼和高強鋁合金的，同時其比持久強度、比蠕變溫度和比疲勞強度都明顯高于耐熱不銹鋼的，因此在航空、航天、化工和船舶等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但鈦及鈦合金零部件的失效也不可避免[1-3]。

某受電弓角在其使用過程中發(fā)生了開裂，開裂發(fā)生在螺栓固定孔處。該受電弓角的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是由兩段不同彎徑和兩段平直的純鈦管組合而成，頭部加工出φ10 mm的通孔，通過該通孔受電弓角可以與其他裝置連接起來，在正常運行中受電弓角主要受到系統(tǒng)高速運行時由微振動產(chǎn)生的動載荷。該受電弓角材料為工業(yè)純鈦TA2，由外徑19 mm、壁厚1.7 mm的鈦合金管制成，使用溫度為室溫，最低不超過-30 ℃，接觸介質(zhì)為空氣，所受載荷為高周動載荷(對稱交變循環(huán)應(yīng)力，載荷大小約300 MPa)。目前，對于TA2鈦合金管類零件疲勞斷裂行為的研究較少。本工作采用化學(xué)、力學(xué)測試，金相顯微鏡、掃描電鏡觀察等方法對該開裂的受電弓角進(jìn)行了檢測，分析其疲勞斷裂原因，以防止類似的情況再次發(fā)生。

圖1 失效TA2受電弓角的結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of failed TA2 arch bend

1 理化檢驗與結(jié)果

1.1 化學(xué)成分

參照GB/T 3620.1-2007《鈦及鈦合金牌號和化學(xué)成分》標(biāo)準(zhǔn)，采用美國PE 2100DV ICP全譜直讀等離子體發(fā)射光譜儀和CS800碳硫分析儀對失效的受電弓角進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。結(jié)果表明：失效受電弓角的化學(xué)成分符合GB/T 3620.1-2007標(biāo)準(zhǔn)對TA2鈦的要求。

表1 失效受電弓角的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab. 1 Chemical composition of failed TA2 arch bend (mass fraction) %

1.2 拉伸性能

采用INSTRON5982力學(xué)試驗機測試了失效受電弓角所用TA2管材的室溫拉伸性能，結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明：TA2管材的抗拉強度高出設(shè)計要求約70 MPa，屈服強度高出設(shè)計要求約29 MPa，伸長率比設(shè)計要求高約16%，即失效受電弓角所用管材的室溫拉伸性能滿足設(shè)計要求，不是引起開裂的主要原因。

表2 TA2管材的室溫拉伸性能Tab. 2 Tensile properties of TA2 pipe at room temperature

1.3 宏觀形貌

該受電弓角斷裂位置位于螺栓孔處，一側(cè)裂紋垂直于螺栓孔圓周的法線起裂，并沿純鈦受電弓角彎管軸向45°角擴展，另一側(cè)裂紋源沿孔的周向起裂并擴展，最后兩裂紋在臺階處交匯使受電弓角發(fā)生斷裂，見圖2(a)。失效受電弓角的斷口上有明顯的貝紋線，這是疲勞斷裂典型的宏觀特征形貌，疲勞源位于彎管螺栓孔處的外壁，見圖2(b)箭頭處。在疲勞源的左側(cè)，即圖2(a)所示螺栓孔的左側(cè)有擠壓變形形成的卷邊現(xiàn)象，而螺栓孔的右側(cè)未發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象；另外一個螺栓孔，也有卷邊現(xiàn)象。這種現(xiàn)象與螺栓孔的加工或使用過程中擠壓磕碰有關(guān)。

(a) 側(cè)面

(b) 正面圖2 失效TA2受電弓角斷口宏觀形貌Fig. 2 Fracture macro-morphology of failed TA2 arch bend: (a) profile; (b) front

1.4 顯微組織

從失效的TA2受電弓角斷口處取金相試樣，拋光侵蝕后采用Leica DMI5000M金相顯微鏡觀察其組織，如圖3所示。結(jié)果表明：斷口附近未發(fā)現(xiàn)夾雜等材料缺陷，組織為均勻的等軸α相，晶粒細(xì)小，未發(fā)現(xiàn)組織異常情況。

(b) 高倍圖3 失效TA2受電弓角的顯微組織Fig. 3 Microstructure of failed TA2 arch bend at low (a) and high (b) magnifications

1.5 斷口形貌

采用FEI Quanta 600掃描電子顯微鏡對失效TA2受電弓角斷口進(jìn)行了觀察。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，疲勞斷口明顯分為三個具有不同形貌特征的區(qū)域，即疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴展區(qū)和瞬時破斷區(qū)，它們分別代表了疲勞破壞的不同歷程[4]。

疲勞源是疲勞破壞的起點、是疲勞裂紋最初形成的地方，通常起源于材料表面應(yīng)力集中或存在表面缺陷的位置[5]。TA2受電弓角的疲勞源位于螺栓孔的外壁，有較清晰的貝紋線特征，疲勞裂紋在缺口處萌生，并由弓角的一側(cè)擴展到另一側(cè)，如圖4(a)、(b)所示。這一階段裂紋張開位移較小，擴展緩慢，反復(fù)張開和閉合使斷口兩面相互擠磨形成磨損較嚴(yán)重的區(qū)域，該區(qū)域是一個光滑、細(xì)潔的扇形小區(qū)域，如圖4(c)所示。仔細(xì)觀察可尋找到未被磨損的疲勞特征,見圖4(d)，出現(xiàn)層片狀撕裂，且這些層片狀之間存在一定的高度差。

疲勞擴展區(qū)也存在較明顯的疲勞擴展特征的貝紋線，見圖5(a)。在較高倍數(shù)下還可觀察到疲勞輝紋，見圖5(b)，它是裂紋擴展時留下的微觀痕跡,說明裂紋沿著與軸線垂直的方向擴展。裂紋形成后，當(dāng)受到拉應(yīng)力作用時，裂紋張開，尖端鈍化，當(dāng)拉力卸載時,裂紋閉合,尖端重新銳化，如此循環(huán)。由于尖端的應(yīng)力集中，使裂紋發(fā)生亞臨界擴展，便留下一條疲勞輝紋。這些疲勞輝紋與裂紋局部擴展方向垂直，每一條輝紋代表一次載荷循環(huán)，輝紋間距較小。在同一小斷塊上的疲勞輝紋是連續(xù)且平行的,但相鄰小斷塊的疲勞輝紋不連續(xù)也不平行[4]。產(chǎn)生疲勞輝紋的必要條件是裂紋尖端必須處于張開型的平面應(yīng)變下，且疲勞輝紋較明顯說明材料的塑性較好[5]。

當(dāng)疲勞裂紋擴展至臨界尺寸時，疲勞斷裂過程進(jìn)入了瞬斷區(qū)(快速擴展區(qū))，瞬斷區(qū)位于疲勞源對側(cè)，呈剪切唇形貌，見圖5(c)。

在疲勞源的左側(cè)距疲勞源大約1/ 4圓周的位置，螺栓孔內(nèi)靠近外壁處有明顯的擠壓變形痕跡，見圖5(d)，這一區(qū)域與宏觀形貌上的卷邊位置相對應(yīng)，而在疲勞源附近和右側(cè)未發(fā)現(xiàn)擠壓變形現(xiàn)象，見圖5(e)。

由此可知，TA2弓角為疲勞斷裂，疲勞源位于螺栓孔處彎管的外壁，疲勞源左側(cè)距疲勞源1/4圓周螺栓孔處有明顯的擠壓變形痕跡，說明該處受到碰撞或擠壓的力，該力垂直于疲勞源區(qū)疲勞裂紋的擴展方向，在該力的作用下，TA2弓角產(chǎn)生疲勞源，疲勞裂紋擴展直至斷裂。

(a) 位置

(b) 低倍形貌

(c) 擠壓痕跡

(d) 疲勞特征圖4 失效TA2受電弓角斷口疲勞源形貌Fig. 4 Morphology of fatigue source on fracture of TA2 arch bend: (a) location; (b) morphology at low magnification; (c) crush marks; (d) fatigue characteristics

1.6 疲勞試驗

根據(jù)失效TA2受電弓角的工況條件，選取相對應(yīng)的試驗參數(shù)，對與該斷裂弓角相同批次的TA2材料進(jìn)行高周疲勞試驗。測試條件：應(yīng)力集中系數(shù)kt為1；應(yīng)力比R為-1；試驗頻率為90 Hz。測試結(jié)果如圖6所示。

(a) 疲勞擴展區(qū) (b) 疲勞輝紋 (c) 快速擴展區(qū)

(d) 疲勞源左側(cè)孔外部變形區(qū) (e) 疲勞源附近未變形區(qū)圖5 失效TA2受電弓角斷口形貌Fig. 5 Appearance of fracture of failed TA2 arch bend: (a) fatigue extension zone; (b) fatigue striations; (c) rapid extension zone; (d) external deformed zone on the left of fatigue source; (e) non deformed zone near fatigue source

圖6 TA2鈦的S-N曲線Fig. 6 S-N curve of TA2 titanium

由圖6可知：TA2鈦在測試條件下的疲勞極限為290 MPa。在實際使用工況條件下，TA2受電弓角的螺栓孔外壁受到集中交變循環(huán)載荷，載荷大小雖低于該批次材料的屈服強度，但超過了其疲勞極限。在長時間交變循環(huán)載荷作用下，材料會發(fā)生循環(huán)滑移帶，隨著加載循環(huán)次數(shù)的不斷增加，循環(huán)滑移帶會不斷地加寬，當(dāng)加寬至一定程度時，由于位錯的塞積和交割作用，在駐留滑移帶處形成微裂紋，直至最終疲勞斷裂。疲勞強度大小表征了材料抵抗裂紋萌生的難易，其值越高表明材料抵抗裂紋萌生的能力越強[6]。

2 失效原因分析

TA2受電弓角的疲勞源位于螺栓孔處彎管的外壁，斷口有清晰的貝紋線特征，疲勞擴展區(qū)觀察到疲勞輝紋，以此推斷其發(fā)生了疲勞斷裂。TA2受電弓角的螺栓孔的左側(cè)靠外壁處有明顯的擠壓變形痕跡，螺栓孔受到高頻次的碰撞或外力擠壓是弓角發(fā)生疲勞斷裂的主要原因。根據(jù)TA2受電弓角的工況條件，選取合適的試驗參數(shù)，對弓角用TA2鈦進(jìn)行高周疲勞試驗，試驗結(jié)果表明TA2受電弓角螺栓孔外壁所受載荷高于材料的疲勞極限，因此發(fā)生了疲勞斷裂。

3 結(jié)論與建議

該TA2受電弓角螺栓孔處受到高頻次的碰撞或外力擠壓，導(dǎo)致其發(fā)生疲勞斷裂。

建議后續(xù)使用中，設(shè)計者應(yīng)改變TA2受電弓角的螺栓孔位置，避免設(shè)計上的缺口、圓角或外來物損傷引起應(yīng)力集中，優(yōu)化弓角結(jié)構(gòu)的受力工況條件，避免類似情況發(fā)生。