加工殘余應(yīng)力對Ti-6Al-4V試樣高周疲勞性能的影響

常 帥，談建平，張劍睿，涂善東

(華東理工大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院 承壓系統(tǒng)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237)

0 引言

金屬材料在機(jī)械加工過程中受到機(jī)械、熱、化學(xué)能、拓?fù)浜鸵苯鸬纫蛩氐挠绊慬1]，會影響表面完整性，如表面微觀組織結(jié)構(gòu)、粗糙度和殘余應(yīng)力等。表面完整性是決定構(gòu)件可靠性和功能性的重要因素之一[2-3]，尤其是在疲勞條件下，裂紋通常從自由表面萌生[4]，占整個(gè)疲勞壽命的80%左右[5-8]，故構(gòu)件表面完整性的影響尤為顯著。

早期關(guān)于加工引起的表面完整性改變對疲勞性能影響的研究主要集中在工件表面粗糙度這一參數(shù)上[9-11]。進(jìn)一步研究表明，粗糙度作為疲勞強(qiáng)度的唯一指標(biāo)存在不足，表面形貌、表面微觀組織結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力均會影響疲勞強(qiáng)度[12]。大量研究表明，工件加工過程中引入的殘余應(yīng)力水平是影響高周疲勞強(qiáng)度的主要因素[13-16]。殘余應(yīng)力改變了表面裂紋萌生及裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動力[17]，殘余壓應(yīng)力可提高疲勞性能，殘余拉應(yīng)力會對疲勞抗力產(chǎn)生負(fù)面影響。而在低周疲勞下，由于塑性變形將殘余應(yīng)力釋放，對低周疲勞強(qiáng)度影響較小[18-20]。測試試樣表面殘余應(yīng)力對疲勞性能同樣有影響也是不言而喻的。有研究表明，試樣表面殘余應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度影響程度隨著表面粗糙度的增加而減小[21]。然而，為了分析加工工藝對疲勞性能的影響，有的研究并未對試樣表面粗糙度做出控制[22-26]。此外，已有研究所使用的試樣表面粗糙度大多處于較高水平[13，16，27-28]，粗糙度達(dá)到疲勞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的相關(guān)研究鮮有報(bào)道。因此，在低粗糙度水平下殘余應(yīng)力對疲勞壽命影響規(guī)律需要進(jìn)一步深入研究。

盡管試樣表面狀態(tài)會影響疲勞性能已成共識，但相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)尤其是高周疲勞試驗(yàn)常用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3075—2008《金屬材料 疲勞試驗(yàn) 軸向力控制方法》和ASTM E466-07，并未對試樣表面狀態(tài)做出明確說明。該兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中均指出試樣的表面狀態(tài)(如粗糙度、殘余應(yīng)力、微觀結(jié)構(gòu)改變等)對試驗(yàn)結(jié)果有影響，但標(biāo)準(zhǔn)中僅對表面粗糙度提出Ra≤0.2 μm的具體要求，對于主要影響因素殘余應(yīng)力缺乏相應(yīng)規(guī)定。因此，在實(shí)際試驗(yàn)過程中，由于試樣表面狀態(tài)尤其是殘余應(yīng)力的差異導(dǎo)致疲勞試驗(yàn)結(jié)果差異的亂象不可避免。為規(guī)避這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，提高試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，有必要對疲勞試樣的殘余應(yīng)力做出進(jìn)一步的規(guī)范說明。

Ti-6Al-4V是鈦合金的典型代表，具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕、熔點(diǎn)高以及疲勞性能優(yōu)異等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋工程、石油化工領(lǐng)域，制作成航天器推進(jìn)系統(tǒng)儲罐與高壓氣瓶[29-30]、深海航行器耐壓殼體[31]、高性能油井管[32]等承壓設(shè)備。為此，以Ti-6Al-4V材料為研究對象，采用車削和軸向拋光工藝加工疲勞試樣，通過調(diào)整加工工藝參數(shù)獲得不同表面殘余應(yīng)力試樣，探討規(guī)定粗糙度水平下試樣加工殘余應(yīng)力對高周疲勞性能的影響。

1 材料與試樣

試驗(yàn)材料為Ti-6Al-4V棒材，其金相組織見圖1，化學(xué)成分見表1。該合金為α+β雙相組織，黑色片層狀為α相，白色部分為β相，α相片層寬度大約為3～4 μm。室溫下該材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為1 064 MPa和1 103 MPa，材料拉伸曲線如圖2所示。試件材料在使用前經(jīng)過退火處理以去除殘余應(yīng)力。

圖1 Ti-6Al-4V顯微組織Fig.1 Microstructure of Ti-6Al-4V alloy

表1 Ti-6Al-4V的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of Ti-6Al-4V alloy %

圖2 Ti-6Al-4V拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Tensile stress-strain curve of Ti-6Al-4V alloy

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E466-07制備光滑軸向疲勞試樣，其形狀和尺寸如圖3所示。由于鈦合金難以磨削，試樣采用車削加工和軸向拋光加工工藝。通過調(diào)整車削加工過程參數(shù)以及使用不同磨損程度刀具，以獲得不同表面殘余應(yīng)力試樣。無殘余應(yīng)力試樣采用真空退火消應(yīng)力處理，熱處理工藝為真空度2.8×10-3Pa，加熱至600 ℃保溫2 h，然后隨爐冷卻。

圖3 Ti-6Al-4V疲勞試樣尺寸Fig.3 Fatigue specimen size of Ti-6Al-4V

2 試驗(yàn)方法

采用Alicona IFM G4表面三維形貌儀測量疲勞試樣的表面粗糙度，對每個(gè)試樣在不同位置進(jìn)行3次粗糙度測量，然后取平均值。采用X射線衍射(XRD)技術(shù)測量所有試樣軸向表面的殘余應(yīng)力，對試樣最小直徑處測量3次結(jié)果取平均值。使用的測量儀型號為Proto-iXRD，采用Cu-Kα輻射，射線發(fā)生器管電壓20 kV，管電流4 mA，準(zhǔn)直管直徑2 mm，衍射角142°，衍射晶面為{213}晶面。

對Ti-6Al-4V不同殘余應(yīng)力試樣分別進(jìn)行2組疲勞試驗(yàn)，一組在等應(yīng)力幅(650 MPa)下對不同殘余應(yīng)力試樣進(jìn)行疲勞試驗(yàn)；另一組對不同殘余應(yīng)力等級試樣進(jìn)行S-N曲線測試。試驗(yàn)溫度為室溫，試驗(yàn)設(shè)備為QBG-100高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)，軸向力控制，應(yīng)力比R=-1，加載頻率約117 Hz。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 表面粗糙度

表面粗糙度采用Ra表征，由于試樣車削后采用軸向拋光工藝，試樣表面粗糙度達(dá)到較低水平，測得所有試樣的表面粗糙度Ra值均低于0.2 μm，滿足ASTM E466-07標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，Ra值最小0.08 μm、最大0.16 μm，Ra平均值為0.12 μm，表面粗糙度Ra值相對穩(wěn)定，對疲勞壽命影響可以忽略。試樣真空退火后再次測量表面粗糙度，與退火前幾乎無變化，Ra值約為0.13 μm。

3.2 表面殘余應(yīng)力

殘余應(yīng)力具有方向性特征，沿不同方向的殘余應(yīng)力有所差異。對于軸向加載疲勞試驗(yàn)，沿試樣軸向的殘余應(yīng)力對疲勞壽命的影響最大。因此，本文測試的表面殘余應(yīng)力方向均為試樣軸向。表面殘余應(yīng)力測試結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，經(jīng)過車削和軸向拋光后，所有試樣表面均產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，與文獻(xiàn)[33-34]中規(guī)律一致。表面殘余應(yīng)力最小為-81 MPa，最大為-666 MPa，主要集中在-100～-400 MPa范圍內(nèi)。通過改變加工工藝獲得了較大范圍的表面殘余壓應(yīng)力值，表面殘余應(yīng)力最大與最小值相差達(dá)到8倍。因此，若在加工以及測試過程中不對殘余應(yīng)力加以限制說明，極有可能得到較大范圍表面殘余應(yīng)力試樣，導(dǎo)致試樣表面狀態(tài)各不相同。

圖4 Ti-6Al-4V疲勞試樣表面殘余應(yīng)力Fig.4 Surface residual stresses of Ti-6Al-4V fatigue specimen

3.3 殘余應(yīng)力對疲勞壽命的影響

為探索不同表面殘余應(yīng)力(RS)對疲勞壽命的影響規(guī)律，從所有加工試樣中選取不同表面殘余應(yīng)力試樣進(jìn)行等應(yīng)力幅(650 MPa)疲勞測試。試驗(yàn)使用試樣的表面殘余壓應(yīng)力從最小-81 MPa到最大-666 MPa。圖5為恒定應(yīng)力幅650 MPa、應(yīng)力比R=-1下疲勞試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，疲勞壽命與表面殘余壓應(yīng)力有很強(qiáng)的正相關(guān)性，隨著殘余壓應(yīng)力的增加，疲勞壽命相應(yīng)增大。在最小殘余壓應(yīng)力-81 MPa時(shí)，疲勞壽命為4.56×104次，在最大殘余壓應(yīng)力-666 MPa時(shí)壽命超過107次，并且在殘余壓應(yīng)力為-442 MPa時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)壽命超過107次，最大和最小壽命相差約200倍。圖5中三角形點(diǎn)為真空退火試樣(ANN)疲勞壽命，退火后試樣表面殘余應(yīng)力約為-30 MPa，接近于零殘余應(yīng)力，因此真空退火試樣可看作為無殘余應(yīng)力狀態(tài)。退火試樣平均疲勞壽命為2.86×104次，符合前述規(guī)律，即表面殘余壓應(yīng)力減少，疲勞壽命降低。對殘余應(yīng)力取絕對值，在雙對數(shù)坐標(biāo)下，表面殘余壓應(yīng)力和疲勞壽命接近線性變化關(guān)系，見圖6。

圖5 Ti-6Al-4V合金不同殘余應(yīng)力下疲勞壽命(σa=650 MPa)Fig.5 Fatigue life of Ti-6Al-4V specimens with different surface residual stresses under σa=650 MPa

圖6 雙對數(shù)坐標(biāo)下殘余應(yīng)力與疲勞壽命關(guān)系(σa=650 MPa)Fig.6 The relationship between residual stress and fatigue life under σa=650 MPa in double logarithmic coordinate system

圖7示出不同殘余應(yīng)力下的壽命提升比Nf/N0(N0為退火試樣的平均壽命)。以退火試樣壽命作為基準(zhǔn)，加工殘余壓應(yīng)力的存在可使得疲勞壽命提高超過350倍。值得注意的是，殘余壓應(yīng)力低于-100 MPa時(shí)，Nf/N0<2，即疲勞壽命接近退火試樣疲勞壽命。隨著殘余壓應(yīng)力增大，Nf/N0逐漸增大，當(dāng)表面殘余壓應(yīng)力達(dá)到-400 MPa時(shí)，疲勞壽命提高超過100倍。

圖7 殘余應(yīng)力對Ti-6Al-4V合金疲勞壽命的影響(σa=650 MPa)Fig.7 Effect of surface residual stress on fatigue life of Ti-6Al-4V alloy under σa=650 MPa

3.4 殘余應(yīng)力對S-N曲線的影響

為進(jìn)一步探索殘余應(yīng)力對疲勞性能的影響規(guī)律，根據(jù)試樣表面殘余應(yīng)力對試樣進(jìn)行篩選分類，主要分為-100，-230，-330，-430 MPa四組應(yīng)力水平，分組結(jié)果如表2所示；對表面殘余應(yīng)力-100，-230，-330，-430 MPa四個(gè)等級的試樣進(jìn)行軸向應(yīng)力控制疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示(由于圖中部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)重合，對其中兩個(gè)未失效試樣數(shù)據(jù)點(diǎn)向下偏移3 MPa展示)。試驗(yàn)結(jié)果表明，表面殘余應(yīng)力不同，S-N曲線分布不同，并且呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性，即殘余壓應(yīng)力增大，疲勞強(qiáng)度也相應(yīng)增大。殘余應(yīng)力對疲勞壽命的影響與應(yīng)力幅密切相關(guān)，在高應(yīng)力幅時(shí)，不同殘余應(yīng)力試樣疲勞壽命差異較小，在應(yīng)力幅為700 MPa和675 MPa時(shí)，不同殘余應(yīng)力試樣的疲勞壽命相差約一個(gè)數(shù)量級(約10～15倍)；當(dāng)應(yīng)力幅降低(應(yīng)力幅為650 MPa)時(shí)，不同殘余應(yīng)力試樣的疲勞壽命相差超過30倍。隨著應(yīng)力幅的降低，殘余應(yīng)力對疲勞壽命的提升越來越明顯，與GERSTENMEYER等[35-36]的研究結(jié)果相似。

圖8 不同殘余應(yīng)力下Ti-6Al-4V合金的疲勞S-N曲線Fig.8 S-N curves of Ti-6Al-4V alloy with different residual stresses

表2 殘余應(yīng)力分組結(jié)果Tab.2 Grouping result of different residual stresses of specimen surface

盡管-100 MPa殘余應(yīng)力試樣數(shù)據(jù)樣本有限，從現(xiàn)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出-100 MPa級殘余應(yīng)力試樣的疲勞極限約為550 MPa。當(dāng)表面殘余壓應(yīng)力增大到-230 MPa時(shí)，疲勞極限大幅提升至625 MPa，提升約13.6%。繼續(xù)增大表面殘余壓應(yīng)力，疲勞極限提升較少，當(dāng)表面殘余壓應(yīng)力增大2倍至-430 MPa時(shí)，疲勞極限僅提升至650 MPa，提升約18.2%。因此，當(dāng)殘余壓應(yīng)力達(dá)到一定水平后，繼續(xù)增大殘余壓應(yīng)力對疲勞極限的提升是有限的。

相同表面粗糙度下，試樣表面殘余應(yīng)力對疲勞壽命及疲勞強(qiáng)度均有不同程度的影響，為了得到可靠的疲勞性能數(shù)據(jù)，應(yīng)對試樣的加工殘余應(yīng)力加以控制。實(shí)際上，鈦合金屬于難加工合金，試樣表層在加工過程中極易受到熱機(jī)械載荷的影響從而產(chǎn)生較大的殘余壓應(yīng)力，很難將殘余應(yīng)力控制在較低水平，文獻(xiàn)[37-41]給出了Ti-6Al-4V合金的殘余應(yīng)力為-200～-400 MPa。本文研究結(jié)果顯示，加工工藝不同時(shí)試樣表面殘余應(yīng)力差異明顯，較大的表面殘余壓應(yīng)力分散性將會對疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)造成不利影響。因此，為降低測試數(shù)據(jù)分散性，建議嚴(yán)格控制試樣加工工藝，并記錄試樣表面殘余應(yīng)力水平。對于本文所研究的Ti-6Al-4V合金，當(dāng)表面殘余壓應(yīng)力超過-100 MPa時(shí)，疲勞強(qiáng)度和壽命顯著增加。

顯然，在實(shí)際應(yīng)用中，高估材料的疲勞壽命將導(dǎo)致不安全的設(shè)計(jì)。因此，推薦對Ti-6Al-4V合金高周疲勞試樣進(jìn)行嚴(yán)格的消除殘余應(yīng)力處理，將表面殘余壓應(yīng)力控制在-100 MPa以內(nèi)。

4 結(jié)論

(1)Ti-6Al-4V鈦合金疲勞試樣在加工時(shí)會產(chǎn)生較大的殘余壓應(yīng)力，并且隨著加工工藝不同殘余壓應(yīng)力變化較大，從最小低于-100 MPa到接近-700 MPa，在加工Ti-6Al-4V疲勞試樣時(shí)應(yīng)嚴(yán)格保證加工工藝一致性，從而獲取較為均勻的表面殘余應(yīng)力。

(2)在相同應(yīng)力幅(σa=650 MPa)下，雙對數(shù)坐標(biāo)系中試樣表面殘余壓應(yīng)力和疲勞壽命接近線性變化關(guān)系。試樣殘余應(yīng)力從最小-81 MPa到最大-666 MPa時(shí)，疲勞壽命從4.56×104次到超過107次；退火后試樣表面殘余壓應(yīng)力約為-30 MPa，平均疲勞壽命為2.86×104次。以退火試樣為基準(zhǔn)，在粗糙度較低的情況下，加工殘余應(yīng)力的存在可使得疲勞壽命提高超過350倍。

(3)表面殘余壓應(yīng)力與疲勞強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性，殘余壓應(yīng)力增大，疲勞強(qiáng)度也相應(yīng)增大。隨著應(yīng)力幅的降低，殘余應(yīng)力對疲勞壽命的提升越來越明顯。相對于-100 MPa級殘余應(yīng)力試樣，殘余應(yīng)力分別為-230 MPa和-430 MPa時(shí)，疲勞極限分別增大約13.6%和18.2%。當(dāng)殘余應(yīng)力達(dá)到一定水平后繼續(xù)增大殘余壓應(yīng)力，疲勞極限的提升幅度較小。

(4)高估材料的疲勞壽命，將導(dǎo)致不安全的后果。因此，為了準(zhǔn)確測量高周疲勞壽命與強(qiáng)度，減小數(shù)據(jù)的分散性，必須嚴(yán)格控制試樣表面殘余應(yīng)力水平；推薦對試樣進(jìn)行嚴(yán)格的消除殘余應(yīng)力處理，以最大限度減小表面殘余應(yīng)力對材料疲勞性能測試的影響。

致謝：感謝核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供資助，華材科技試驗(yàn)場(洛陽)有限公司提供試樣加工服務(wù)。