TC4-DT鈦合金高周疲勞行為研究

于蘭蘭，毛小南，李 輝，趙永慶，張鵬省，侯智敏

(1.西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

(2.西北工業大學，陜西 西安 710072)

(3.西部鈦業有限責任公司，陜西 西安 710201)

1 前言

Ti-6Al-4V ELI合金是在Ti-6Al-4V合金基礎上開發的低間隙鈦合金。各國都形成了自己的牌號，如美國的AMS4907D、AMS4930、ASTMF468，英國的IMI318 ELI，法國的TA6V ELI以及中國新研制的TC4-DT合金等。與普通Ti-6Al-4V合金相比，此類合金的主要特征為:合金元素Al、V允許波動的范圍較窄，間隙元素C、O、N和雜質元素Fe的最高允許含量顯著降低，這雖會降低一些強度，但可顯著提高韌性。該類合金具有較好的塑性、韌性和良好的焊接性能及較長的使用壽命，已廣泛應用于低溫工程、醫療、艦船及飛行器制造等重要領域［1－2］。

在遠低于金屬材料抗拉強度的交變應力作用下，經過一定周次之后，材料會發生疲勞破壞。疲勞破壞具有突然性，無論是脆性材料還是韌性材料，在破壞前夕都不會出現明顯的宏觀塑性變形，不易為人們察覺到，危險性較大。各種金屬機件中有50%～90%以上的破壞屬于疲勞破壞，疲勞現象是一個極為重要的研究領域［3］。對于普通Ti-6Al-4V合金疲勞性能及疲勞斷裂行為的報道較多［4－6］，而對 Ti-6Al-4V ELI合金的報道均是針對疲勞裂紋擴展速率展開的［7－9］。本研究探討了TC4-DT鈦合金高周疲勞特性，旨在為預防疲勞破壞提供參考。

2 實驗

實驗材料采用西北有色金屬研究院生產的厚度為25 mm的TC4-DT鈦合金板材，化學成分見表1。金相法測得相變點為970～980℃。圖1為TC4-DT鈦合金板材的金相照片。加工態TC4-DT鈦合金板材組織為典型的等軸組織，初生α相含量約為50%～60%，其他為轉變β組織。

表1 TC4-DT鈦合金的化學成分(w/%)Table 1 Chemical composition of TC4-DT titanium alloy

圖1 TC4-DT鈦合金板材的金相照片(加工態)Fig.1 Metallograph of TC4-DT titanium alloy plate(processing)

試樣如圖2所示，取樣方向為縱向，在箱式電阻爐中進行(控制精度為5℃)950℃ ×1 h/AC+550℃ ×8 h/AC熱處理，之后依照GB 3075—82進行高周疲勞性能測試。測試在正弦波高頻疲勞實驗機JXG－100上完成，頻率=137～139 Hz，應力比R=－1。采用GMS6460掃描電鏡對疲勞斷口形貌進行觀察。

圖2 高周疲勞試樣Fig.2 Specimen for high circle fatigue test

3 結果與討論

3.1 微觀組織與室溫拉伸性能

圖3為TC4-DT鈦合金試樣經過950℃×1 h/AC+550℃ ×8 h/AC熱處理后的金相照片。由圖3可以看出，經熱處理后TC4-DT鈦合金組織為球狀或條狀相+轉變組織構成的雙態組織，初生相占10%～20%。表2為TC4-DT鈦合金熱處理后的室溫拉伸性能。由表2可知，TC4-DT鈦合金熱處理后抗拉強度為945 MPa，延伸率為14%。

圖3 TC4-DT鈦合金熱處理后的金相照片Fig.3 Metallograph of TC4-DT titanium alloy after heat treatment

表2 TC4-DT鈦合金熱處理后的室溫拉伸性能Table 2 Tensile properties of TC4-DT titanium alloy at room temperature

3.2 S-N曲線

工程上通常是根據試驗獲得的疲勞曲線(S-N曲線)，即通過建立應力振幅σα(或以S表示)與相應斷裂周次Nf之間的實測關系曲線來表征疲勞性能，TC4-DT鈦合金板材的S－N曲線(應力比R=－1)如圖4所示。低碳鋼以及低合金鋼S-N曲線分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三段。在低周次(低于104次)時曲線斜率不大，它能承受的循環應力只比單向拉伸強度低一些，此時的疲勞行為近似于單向拉伸。第Ⅱ階段斜率較大，呈現疲勞過程的特點。第Ⅲ階段是水平線，相應的應力振幅為疲勞極限。材料在疲勞極限以下的應力服役不再發生疲勞破壞。而TC4-DT鈦合金的S-N曲線沒有出現呈水平線的疲勞極限。為了比較，采用107次不被破壞的最大應力作為材料的條件疲勞極限，其值為550 MPa，置信度為95%。

在S-N曲線的第Ⅱ階段，S和N的關系近似地符合Basqin經驗方程:S=σ'f(2Nf)b，σ'f為疲勞強度系數，這里σ'f≌σf，σf為單向拉伸的斷裂真應力，b為疲勞強度指數［10］。TC4-DT鈦合金的疲勞強度指數較高，為－0.05，S對N的敏感性較差，具有相對較高的條件疲勞強度。

圖4 TC4-DT鈦合金的S-N曲線Fig.4 The S-N curve of TC4-DT titanium alloy plate

3.3 斷口形貌

圖5為TC4-DT鈦合金疲勞斷口的宏觀形貌。從圖中可以看出，斷口呈現兩個區域，即較光滑的疲勞裂紋擴展區及粗糙的最后斷裂區，疲勞裂紋源均出現在試樣的表面。試樣表面應力集中，交變應力促使裂紋自表面生成，并逐步向內擴張，造成斷裂形成疲勞裂紋擴展區，當擴展區緩慢長大，最終引起承載部分的突然斷裂時，形成最后的斷裂區。疲勞斷口的疲勞裂紋擴展區較大說明材料具有較高的斷裂韌度。

圖5 疲勞斷口的宏觀形貌及裂紋源Fig.5 Macrographs and crack initiation of fatigue fractography

圖6為疲勞斷口的微觀形貌。在疲勞裂紋擴展區主要是以解理斷裂為主，金屬沿著某個確定的結晶學平面，在沒有或很少滑移出現的情況下分離。六方晶系的鈦沿表面能比較低的結晶學平面基面{0001}裂開。由于多晶體中各個晶粒的取向不同等種種原因，都妨礙著裂紋沿既定的平面順利發展，導致裂紋的分叉、轉折或停頓形成許多解理小刻面，解理面上可見疲勞條帶及二次裂紋。斷裂區斷口表面由許多互相連接的凹坑所組成，主要表現為韌窩斷裂。應力促使材料內部產生顯微孔洞，孔洞隨著塑性變形的發展逐漸長大，孔洞之間的韌性被拉斷，是微孔聚合型斷裂。

圖6 疲勞斷口的微觀形貌Fig.6 Micrographs of fatigue fractography

4 結論

(1)TC4-DT鈦合金的S-N曲線(應力比R=－1)沒有出現呈水平線的疲勞極限，107次不被破壞的條件疲勞極限為550 MPa，置信度為95%。

(2)疲勞斷口疲勞裂紋源均出現在試樣的表面，疲勞裂紋擴展區較大，說明TC4-DT鈦合金具有較高的斷裂韌度。

(3)疲勞斷口的疲勞裂紋擴展區由許多解理小刻面組成，解理面上可見疲勞條帶及二次裂紋，以解理斷裂為主;斷裂區斷口表面由許多互相連接的凹坑所組成，主要表現為韌窩斷裂。

［1］王金友.航空用鈦合金［M］.上海:上海科學技術出版社，1985:91－100.

［2］曹春曉.選材判據的變化與高損傷容限鈦合金的發展［J］.金屬學報，2002，38(增刊1):4－6.

［3］陳傳堯.疲勞與斷裂［M］.武漢:華中科技大學出版社，2002:3－10.

［4］Tokaji K.High cycle fatigue behavior of Ti-6Al-4V alloy at elevatied temperatures［J］.Scripta Materiala，2006，54:2143－2148.

［5］Morrissey R J，McDowell D L，Nicholas T.Frequency and stress ratio effects in high cycle fatigue of Ti-6Al-4V［J］.International Journalof Fatigue，1999，26:679－685.

［6］Arakere N K，Goswami T，Krohn J，et al.High temperature fatigue crack growth behavior of Ti-6Al-4V［J］.High Temperature Materials and Processes，2002，21(4):229 －236.

［7］李輝，趙永慶，曲恒磊，等.損傷容限型TC4-DT合金疲勞裂紋擴展行為研究［J］.稀有金屬材料與工程，2007，36(6):962－964.

［8］朱知壽，馬少俊，王新南，等.TC4-DT損傷容限型鈦合金疲勞裂紋擴展特性的研究［J］.鈦工業進展，2005，22(6):10－12.

［9］Yuri T ，Ono Y，Ogata T.Effect of test frequency on fatigue crack growth rates of Ti-6Al-4V ELI alloy at cryogenic temperature［C］//Balachandran U.Advances in Cryogenic Engineering.New York:American Institute of Physics，2006:153－160.

［10］高鎮同.疲勞性能測試［M］.北京:國防工業出版社，1980:78－110.