TA2受電弓角斷裂失效分析

(中國船舶重工集團公司 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、化工和船舶等領域得到廣泛應用，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生了開裂，開裂發生在螺栓固定孔處。該受電弓角的結構如圖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高速運行時由微振動產生的動載荷。該受電弓角材料為工業純鈦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 ℃，接觸介質為空氣，所受載荷為高周動載荷(對稱交變循環應力，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、力學測試，金相顯微鏡、掃描電鏡觀察等方法對該開裂的受電弓角進行了檢測，分析其疲勞斷裂原因，以防止類似的情況再次發生。

圖1 失效TA2受電弓角的結構Fig. 1 Structure of failed TA2 arch bend

1 理化檢驗與結果

1.1 化學成分

參照GB/T 3620.1-2007《鈦及鈦合金牌號和化學成分》標準，采用美國PE 2100DV ICP全譜直讀等離子體發射光譜儀和CS800碳硫分析儀對失效的受電弓角進行化學成分分析，結果見表1。結果表明：失效受電弓角的化學成分符合GB/T 3620.1-2007標準對TA2鈦的要求。

表1 失效受電弓角的化學成分(質量分數)Tab. 1 Chemical composition of failed TA2 arch bend (mass fraction) %

1.2 拉伸性能

采用INSTRON5982力學試驗機測試了失效受電弓角所用TA2管材的室溫拉伸性能，結果如表2所示。結果表明：TA2管材的抗拉強度高出設計要求約70 MPa，屈服強度高出設計要求約29 MPa，伸長率比設計要求高約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，即圖2(a)所示螺栓孔的左側有擠壓變形形成的卷邊現象，而螺栓孔的右側未發現這種現象；另外一個螺栓孔，也有卷邊現象。這種現象與螺栓孔的加工或使用過程中擠壓磕碰有關。

(a) 側面

(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。結果表明：斷口附近未發現夾雜等材料缺陷，組織為均勻的等軸α相，晶粒細小，未發現組織異常情況。

(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受電弓角斷口進行了觀察。結果發現，疲勞斷口明顯分為三個具有不同形貌特征的區域，即疲勞源區、疲勞裂紋擴展區和瞬時破斷區，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，并由弓角的一側擴展到另一側，如圖4(a)、(b)所示。這一階段裂紋張開位移較小，擴展緩慢，反復張開和閉合使斷口兩面相互擠磨形成磨損較嚴重的區域，該區域是一個光滑、細潔的扇形小區域，如圖4(c)所示。仔細觀察可尋找到未被磨損的疲勞特征,見圖4(d)，出現層片狀撕裂，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，當受到拉應力作用時，裂紋張開，尖端鈍化，當拉力卸載時,裂紋閉合,尖端重新銳化，如此循環。由于尖端的應力集中，使裂紋發生亞臨界擴展，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，輝紋間距較小。在同一小斷塊上的疲勞輝紋是連續且平行的,但相鄰小斷塊的疲勞輝紋不連續也不平行[4]。產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變下，且疲勞輝紋較明顯說明材料的塑性較好[5]。

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

在疲勞源的左側距疲勞源大約1/ 4圓周的位置，螺栓孔內靠近外壁處有明顯的擠壓變形痕跡，見圖5(d)，這一區域與宏觀形貌上的卷邊位置相對應，而在疲勞源附近和右側未發現擠壓變形現象，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疲勞裂紋的擴展方向，在該力的作用下，TA2弓角產生疲勞源，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

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

(a) 疲勞擴展區 (b) 疲勞輝紋 (c) 快速擴展區

(d) 疲勞源左側孔外部變形區 (e) 疲勞源附近未變形區圖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。在長時間交變循環載荷作用下，材料會發生循環滑移帶，隨著加載循環次數的不斷增加，循環滑移帶會不斷地加寬，當加寬至一定程度時，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，疲勞擴展區觀察到疲勞輝紋，以此推斷其發生了疲勞斷裂。TA2受電弓角的螺栓孔的左側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生疲勞斷裂的主要原因。根據TA2受電弓角的工況條件，選取合適的試驗參數，對弓角用TA2鈦進行高周疲勞試驗，試驗結果表明TA2受電弓角螺栓孔外壁所受載荷高于材料的疲勞極限，因此發生了疲勞斷裂。

3 結論與建議

該TA2受電弓角螺栓孔處受到高頻次的碰撞或外力擠壓，導致其發生疲勞斷裂。

建議后續使用中，設計者應改變TA2受電弓角的螺栓孔位置，避免設計上的缺口、圓角或外來物損傷引起應力集中，優化弓角結構的受力工況條件，避免類似情況發生。