加工殘余應力對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 機械與動力工程學院 承壓系統與安全教育部重點實驗室，上海 200237)

0 引言

金屬材料在機械加工過程中受到機械、熱、化學能、拓撲和冶金等因素的影響[1]，會影響表面完整性，如表面微觀組織結構、粗糙度和殘余應力等。表面完整性是決定構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]，占整個疲勞壽命的80%左右[5-8]，故構件表面完整性的影響尤為顯著。

早期關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上[9-11]。進一步研究表明，粗糙度作為疲勞強度的唯一指標存在不足，表面形貌、表面微觀組織結構和殘余應力均會影響疲勞強度[12]。大量研究表明，工件加工過程中引入的殘余應力水平是影響高周疲勞強度的主要因素[13-16]。殘余應力改變了表面裂紋萌生及裂紋擴展的驅動力[17]，殘余壓應力可提高疲勞性能，殘余拉應力會對疲勞抗力產生負面影響。而在低周疲勞下，由于塑性變形將殘余應力釋放，對低周疲勞強度影響較小[18-20]。測試試樣表面殘余應力對疲勞性能同樣有影響也是不言而喻的。有研究表明，試樣表面殘余應力對疲勞強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]，粗糙度達到疲勞試驗標準規定值的相關研究鮮有報道。因此，在低粗糙度水平下殘余應力對疲勞壽命影響規律需要進一步深入研究。

盡管試樣表面狀態會影響疲勞性能已成共識，但相關試驗標準尤其是高周疲勞試驗常用標準GB/T 3075—2008《金屬材料 疲勞試驗 軸向力控制方法》和ASTM E466-07，并未對試樣表面狀態做出明確說明。該兩個標準中均指出試樣的表面狀態(如粗糙度、殘余應力、微觀結構改變等)對試驗結果有影響，但標準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力缺乏相應規定。因此，在實際試驗過程中，由于試樣表面狀態尤其是殘余應力的差異導致疲勞試驗結果差異的亂象不可避免。為規避這種現象的出現，提高試驗結果的可靠性，有必要對疲勞試樣的殘余應力做出進一步的規范說明。

Ti-6Al-4V是鈦合金的典型代表，具有比強度高、耐腐蝕、熔點高以及疲勞性能優異等特點，廣泛應用于航空航天、海洋工程、石油化工領域，制作成航天器推進系統儲罐與高壓氣瓶[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，通過調整加工工藝參數獲得不同表面殘余應力試樣，探討規定粗糙度水平下試樣加工殘余應力對高周疲勞性能的影響。

1 材料與試樣

試驗材料為Ti-6Al-4V棒材，其金相組織見圖1，化學成分見表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度和抗拉強度分別為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過退火處理以去除殘余應力。

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

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

圖2 Ti-6Al-4V拉伸應力-應變曲線Fig.2 Tensile stress-strain curve of Ti-6Al-4V alloy

依據標準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。通過調整車削加工過程參數以及使用不同磨損程度刀具，以獲得不同表面殘余應力試樣。無殘余應力試樣采用真空退火消應力處理，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，對每個試樣在不同位置進行3次粗糙度測量，然后取平均值。采用X射線衍射(XRD)技術測量所有試樣軸向表面的殘余應力，對試樣最小直徑處測量3次結果取平均值。使用的測量儀型號為Proto-iXRD，采用Cu-Kα輻射，射線發生器管電壓20 kV，管電流4 mA，準直管直徑2 mm，衍射角142°，衍射晶面為{213}晶面。

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

3 試驗結果與討論

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標準規定，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 表面殘余應力

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

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

3.3 殘余應力對疲勞壽命的影響

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

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

圖6 雙對數坐標下殘余應力與疲勞壽命關系(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，加工殘余壓應力的存在可使得疲勞壽命提高超過350倍。值得注意的是，殘余壓應力低于-100 MPa時，Nf/N0<2，即疲勞壽命接近退火試樣疲勞壽命。隨著殘余壓應力增大，Nf/N0逐漸增大，當表面殘余壓應力達到-400 MPa時，疲勞壽命提高超過100倍。

圖7 殘余應力對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 殘余應力對S-N曲線的影響

為進一步探索殘余應力對疲勞性能的影響規律，根據試樣表面殘余應力對試樣進行篩選分類，主要分為-100，-230，-330，-430 MPa四組應力水平，分組結果如表2所示；對表面殘余應力-100，-230，-330，-430 MPa四個等級的試樣進行軸向應力控制疲勞試驗，試驗結果如圖8所示(由于圖中部分數據點重合，對其中兩個未失效試樣數據點向下偏移3 MPa展示)。試驗結果表明，表面殘余應力不同，S-N曲線分布不同，并且呈現明顯的正相關性，即殘余壓應力增大，疲勞強度也相應增大。殘余應力對疲勞壽命的影響與應力幅密切相關，在高應力幅時，不同殘余應力試樣疲勞壽命差異較小，在應力幅為700 MPa和675 MPa時，不同殘余應力試樣的疲勞壽命相差約一個數量級(約10～15倍)；當應力幅降低(應力幅為650 MPa)時，不同殘余應力試樣的疲勞壽命相差超過30倍。隨著應力幅的降低，殘余應力對疲勞壽命的提升越來越明顯，與GERSTENMEYER等[35-36]的研究結果相似。

圖8 不同殘余應力下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 殘余應力分組結果Tab.2 Grouping result of different residual stresses of specimen surface

盡管-100 MPa殘余應力試樣數據樣本有限，從現有試驗數據可以得出-100 MPa級殘余應力試樣的疲勞極限約為550 MPa。當表面殘余壓應力增大到-230 MPa時，疲勞極限大幅提升至625 MPa，提升約13.6%。繼續增大表面殘余壓應力，疲勞極限提升較少，當表面殘余壓應力增大2倍至-430 MPa時，疲勞極限僅提升至650 MPa，提升約18.2%。因此，當殘余壓應力達到一定水平后，繼續增大殘余壓應力對疲勞極限的提升是有限的。

相同表面粗糙度下，試樣表面殘余應力對疲勞壽命及疲勞強度均有不同程度的影響，為了得到可靠的疲勞性能數據，應對試樣的加工殘余應力加以控制。實際上，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械載荷的影響從而產生較大的殘余壓應力，很難將殘余應力控制在較低水平，文獻[37-41]給出了Ti-6Al-4V合金的殘余應力為-200～-400 MPa。本文研究結果顯示，加工工藝不同時試樣表面殘余應力差異明顯，較大的表面殘余壓應力分散性將會對疲勞試驗數據造成不利影響。因此，為降低測試數據分散性，建議嚴格控制試樣加工工藝，并記錄試樣表面殘余應力水平。對于本文所研究的Ti-6Al-4V合金，當表面殘余壓應力超過-100 MPa時，疲勞強度和壽命顯著增加。

顯然，在實際應用中，高估材料的疲勞壽命將導致不安全的設計。因此，推薦對Ti-6Al-4V合金高周疲勞試樣進行嚴格的消除殘余應力處理，將表面殘余壓應力控制在-100 MPa以內。

4 結論

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

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

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

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

致謝：感謝核反應堆系統設計技術重點實驗室提供資助，華材科技試驗場(洛陽)有限公司提供試樣加工服務。