鈦合金疲勞試樣加工殘余應力的表征及其對低周疲勞壽命的影響

李志龍，高怡斐,，馬亞鑫,3，張志瑋

鈦合金疲勞試樣加工殘余應力的表征及其對低周疲勞壽命的影響

李志龍1，高怡斐1,2，馬亞鑫1,3，張志瑋2

（1. 鋼鐵研究總院，北京 100081；2. 鋼研納克檢測技術股份有限公司，北京 100081；3. 成都航空職業技術學院，成都 610100）

探究鈦合金TC4低周疲勞試樣加工過程中殘余應力的變化及殘余應力對低周疲勞壽命的影響。采用X射線衍射法分別對車、磨、拋后的試樣進行表面殘余應力的表征，分析加工工藝對其的影響，利用液壓伺服萬能試驗機進行低周疲勞試驗，分析其表面殘余應力對壽命的影響。經過粗車、精車、磨削、縱拋，試樣加工表面的殘余應力不斷減?。卉囅骷庸祵υ嚇颖砻鏆堄鄳τ绊懘笮檫M給速度>轉速>單位進刀量；改變磨削工藝參數可以控制試樣表面殘余應力的變化趨勢；縱拋可以改變試樣表面的紋路狀態，表面殘余應力與磨后保持一致。根據疲勞試驗結果，試樣表面殘余壓應力會提高材料疲勞壽命，但高于230 MPa后，疲勞壽命有明顯的降低。表面殘余壓應力一定程度上會增加材料的疲勞壽命，但當其超過一定值后，會對疲勞低周試驗產生危害。

X射線衍射法；正交試驗；車削；磨削；拋；低周疲勞

隨著材料科學技術的發展，鈦合金因其具有比強度高、熱導率小、抗蝕性能好、耐高溫等特點，被廣泛應用于航空航天、軍工及生物醫療等領域中[1-4]。鈦合金由于其變形系數小、導熱性差、彈性模量小等特點，在材料加工過程中，隨著切削力的增大，切削溫度的升高，會使刀具磨損嚴重，易在材料表面造成較深的殘余應力層及加工硬化層，可能會對后續的試樣加工表面及最終試驗產生影響[5-6]。殘余應力的存在會嚴重影響材料的使用性能和壽命，通常認為，殘余壓應力可以抑制裂紋的擴展，從而提高材料的服役壽命；而殘余拉應力會促進裂紋的萌生，從而縮短材料的服役壽命[7-8]。同時在材料本身疲勞性能的探究中，外部引入殘余應力是一種重要的外加影響因素[9]。

在材料殘余應力測試過程中，X射線法是應用最為普遍的一種方法，這種方法基于布拉格定律，其理論成熟，測量精度高，是一種無損的檢測方法，所以在疲勞試樣表面殘余應力測試過程中具有很高的優勢[10-11]。但是當材料組織不是均勻且連續、各向異性的時候（如存在織構、較大的粗晶等），試樣表面的狀態會嚴重影響X射線殘余應力測試的結果[12]。正確評價材料本身的疲勞性能，不僅能得到材料本征的性能，還能根據材料性能，減少成本及保證材料的使用安全[13]。疲勞試樣常見的有板、圓棒型試樣，但因機械加工變形引入的殘余應力將對其疲勞性能產生影響，所以探究材料疲勞試樣加工過程中殘余應力的變化及如何表征顯得尤為重要。

文中通過X射線法對疲勞試樣加工過程中不同階段的試樣表面殘余應力進行測試，探究試樣表面殘余應力的影響因素，評估TC4合金疲勞試樣的加工工藝，還原材料本征的疲勞性能，為生產設計提供一定的指導作用。

1 材料與方案

1.1 試驗材料

選用材料為鍛態鈦合金TC4。該合金抗拉強度為940 MPa，屈服強度為870 MPa，泊松比為0.34，彈性模量為110 GPa。材料的化學成分如表1所示。

表1 鈦合金TC4化學成分（質量分數）

Tab.1 Chemical composition of titanium alloy TC4 (mass fraction) %

圖1 鈦合金TC4微觀組織

由圖1b知，該鍛造鈦合金為典型的α+β態合金，β組織沿著α態鈦合金的晶界邊緣分布，呈網狀結構。從圖1a可以看出材料具有一些連續、帶狀的組織。

1.2 試驗方案

在疲勞試樣加工過程中，材料從取樣到加工成成品需要經歷電火花線切割、粗車、精車、磨、縱拋等工序。文中加工樣品尺寸如圖2所示。為了探究每道工序對圓柱型試樣加工表面殘余應力的影響。將在加工過程中，對不同工序后的試樣表面進行殘余應力的檢測并評估。

圖2 鈦合金疲勞試樣尺寸

1.2.1 粗車試驗的正交設計

正交試驗是一種研究多因素水平的試驗設計方法，它根據Galois理論，從全面試驗中挑選出具有代表性的試驗水平進行組合試驗，并對試驗結果進行分析，從而找出最優試驗組合[12]。該方法不僅節省了大量的人力、物力，還減少了經濟成本。

在粗車過程中采用數字加工車床，數字化的加工方式減少了人為因素的試驗誤差，并且每次加工完一個試樣，都需要更換新的刀頭，以此減小刀具的磨損對后續試樣的加工影響。根據文獻[5]可知，在車削試樣加工過程中，試樣表面影響因素主要有以下幾種：試樣轉速、進刀量、刀尖圓弧和進給速度等?？紤]試樣加工成本，統一采用刀尖圓弧半徑為0.4 mm的刀進行試樣加工。試驗的主要變量為：試樣轉速、進刀量、進給速度。選擇三因素三水平的正交試驗表，因素與水平設計如表2。

表2 粗車工藝試驗因素與水平

Tab.2 Experimental factors and level of roughing process

1.2.2 精車試驗

粗車過程中由于車削深度大，將在鈦合金試樣表面造成較深的殘余應力層。為探究粗車試驗參數的改變對疲勞試樣后續加工表面殘余應力的影響，根據疲勞試樣加工的指導手冊，選擇相同的精車加工參數，即刀尖圓弧半徑采用0.4 mm，轉速為600 r/min，進給速度為0.05 mm/r。

1.2.3 磨削試驗

根據試驗要求選擇砂輪為綠色碳化硅，硬度為K，粒度為60，線速度為35 m/s。磨削過程中，試樣轉速有200，240，280 r/min 3個水平，每個水平下進給量分別為0.01，0.015，0.02 mm/min。根據試驗要求，試驗的參數設計如表3所示。

表3 磨削加工參數

Tab.3 Grinding parameters

精磨試驗的參數依據粗磨試驗的參數而定，試樣轉速不變，精磨過程中進刀量不斷減小，直至試樣尺寸符合試樣加工要求。

1.2.4 縱拋試驗

根據疲勞試驗要求，試樣表面需經過低應力縱拋，主要是為減小試樣的表面粗糙度，消除環向加工痕跡等[11]。縱拋試驗過程中，采用200，400，800目的砂紙對試樣表面進行縱拋，表面接觸壓力為5.6 N。

1.3 低周疲勞試驗

根據ASTM E606 /E606M－12 Standard Test Method for Strain-Controlled Fatigue Testing進行應變控制低周疲勞試驗[13]，以此檢驗該批疲勞試樣是否滿足疲勞試驗的要求。

2 殘余應力測試結果及分析

Ｘ射線衍射法[10]是一種無損檢測的方法，其基本原理是布拉格方程：2sin=，其中，為晶面間距，為入射線角度?；驹砜梢员硎鰹椋寒斠皇ㄩL為的X射線照射到多晶體上時，會在一定角度上接收到衍射峰，其中衍射晶面間距和衍射角2之間應該滿足布拉格定律。當應力變化時會引起晶體內部晶面間距發生變化，繼而衍射角2也隨之發生變化。所以根據衍射角2的變化即可利用彈性力學相關方程得出某一方向的應力大小和性質[11]。

根據GB/T 7704—2017[14]，測試殘余應力時，采用法國MRX X射線應力分析儀，靶材為Cu靶，濾波片選用Ni，管電流為1.03 mA，管電壓為20.13 kV。試樣測試參數如下：角范圍為?40°～+40°，光斑直徑為1 mm，曝光時間為600 s。測試方向及測試點位置如圖3所示。結果中“?”表示壓應力，“+”表示拉應力。

對鈦合金鍛造件基體測試方向與試樣方向取向一致，對切割表面進行電解腐蝕，腐蝕深度為2 mm，經過X射線衍射法殘余應力測試得到試樣內部軸向殘余應力為+97 MPa，環向殘余應力為+75 MPa。可以得出在鍛造鈦合金取樣位置，殘余應力為拉應力。

機加工過程中試樣表面軸向殘余應力變化如圖4所示，在鈦合金疲勞試樣加工過程中，隨著工序的進行，每次測量面均與上次測量不同，新產生的表面根據加工參數的變化，殘余應力有所變化。試樣加工表面軸向殘余應力隨著每道工序的進行數值減小。但是環向殘余應力無明顯的變化規律。

圖3 測試試樣點及方向

Fig.3 Test sample points and test direction

圖4 機加工過程中試樣表面軸向殘余應力變化

由于試樣表面為圓弧，當采用X射線殘余應力儀測試時，機械臂擺動時，環向由于弧面具有高度差，照射點的位置及面積發生改變，所以環向殘余應力測試的結果重現性較差，即測量誤差較大，在以下分析過程中著重關注軸向殘余應力的變化。

2.1 粗車結果分析

因測試結果數值較大，為方便數據的處理，將應力測試結果加上600 MPa后，進行極差分析，其結果如表4所示。根據試驗結果發現，粗車過程中進給速度對疲勞試樣加工過程的殘余應力影響最大，其次是轉速和進刀量。得到最優結果為轉速為500 r/min，進刀量為0.5或1 mm，進給速度為0.05 mm/r。

粗車后試樣表面殘余應力測試結果如圖5所示，在殘余應力測試過程中，發現軸向殘余應力測試結果重現性較好，環向殘余應力測試結果重現性較差。由于試樣表面為圓弧，當X射線殘余應力儀測試過程中，機械臂擺動時，弧面的高度差導致X束斑的位置及面積發生改變，所以在環向殘余應力測試過程中，結果重現性較差，應采用較小的束斑進行測試。

2.2 精車結果分析

精車后試樣表面殘余應力測試結果如圖6所示，可以看出數據趨于一致，均處于（400±50）MPa之間。根據儀器廠家提供的試驗儀器的參數，可以近似認為，采用統一的精車參數后，粗車參數對試樣的后續加工表面殘余應力結果影響較小。對于環向殘余應力，精車采用統一的試驗數據，環向殘余應力趨于一致。

表4 粗車試驗正交試驗設計表

Tab.4 Orthogonal test design of roughing experiment

圖5 粗車后試樣表面殘余應力測試結果

圖6 精車后試樣表面殘余應力測試結果

2.3 磨削后結果分析

磨削后殘余應力測試結果見圖7，可以看出，經過低應力磨削后，試樣表面的殘余應力減小，由于磨削加工參數的改變，表面殘余應力測試結果產生了明顯差異。從圖7可以看出，磨削過程中，對環向殘余應力的影響因素中，試樣轉速＞進給量。在試樣的同一轉速下改變進刀量，對環向殘余應力影響較??；當進給量一定時，加工表面環向殘余應力隨著試樣轉速的增加而變大。對軸向殘余應力來說，當進給量一致時，試樣轉速越大，試樣表面的殘余應力越大。當試樣轉速為200 r/min時，進給量增加而殘余應力減小。當試樣轉速大于240 r/min時，進給量的增加對試樣表面殘余應力沒有影響，所測數值均在同一水平。當試樣轉速為200 r/min，進給量為0.01或0.02 mm/r時，軸向和環向均為殘余壓應力，且應力值較小。

2.4 縱拋結果分析

縱拋后試樣表面殘余應力結果見圖8，可以看出，當選擇相同的機械縱拋加工參數時，試樣表面殘余應力的水平趨于一致。與手動拋光相比，機械縱拋加工速度更快，且表面狀態更具有統一性，為后續疲勞試驗減少了誤差。另外成品試樣的表面相較于原材料殘余應力由拉應力轉變成為壓應力，即機加工改變了材料本身的殘余應力分布。與文獻[13]相比，該縱拋加工試驗方法得到的表面殘余應力數據更為一致，表面狀態也趨于一致。

2.5 低周疲勞試驗

根據ASTM E606 /E606M?12，采用多試樣單應變量法，選取在彈性范圍內進行低周疲勞試驗，應變?/2=0.6%。試驗波形為三角波，應變比=?1，頻率選擇0.33 Hz。平均疲勞壽命如圖9所示。

圖7 磨削后試樣表面殘余應力測試結果

圖8 縱拋后試樣表面殘余應力測試結果

根據圖9顯示，加工工藝對低周疲勞試樣壽命存在顯著影響，殘余壓應力的存在，增加了鈦合金疲勞試樣的疲勞壽命，但隨著試樣表面殘余壓應力的增加，出現疲勞壽命降低的情況，尤其在試樣表面殘余壓應力大于230 MPa時，疲勞壽命出現了明顯的降低。另外根據圖10試樣斷口，可以看出圖10 a中試樣的斷裂存在多個疲勞裂紋源，圖10b中鈦合金的疲勞斷口存在疲勞裂紋萌生區、裂紋擴展區、斷裂失效區；圖10c中可以看出裂紋的萌生源處于試樣的表面及近表面。其中1，2，3，7，9組中存在試樣經過低周疲勞試驗后，疲勞斷口裂紋源位于過渡弧的情況，說明試樣轉速對過渡弧處的表面質量影響較大。試樣轉速為500 r/min時，刀尖處的切削屑產生積累，造成過渡弧處存在較大的殘余應力；試樣轉速為700 r/min時，過渡弧表面溫度高、切削屑的粘連等因素，破壞了試樣的表面質量[5]。在轉速為600 r/min時，試樣均未斷在過渡弧處，所以在試樣加工過程中應選擇轉速為600 r/min，另外應關注試樣過渡弧處的表面質量，為正確評估疲勞試樣的壽命做出保證。

圖9 疲勞壽命及殘余應力對比

圖10 疲勞試樣斷口

3 結論

1）在車削過程中，試樣表面殘余應力的主要因素中影響大?。哼M刀量>進刀量>試樣轉速。車削后試樣表面殘余壓應力均大于500 MPa。后續加工過程中表面殘余應力不斷減小，在縱拋過程中，試樣表面的環向紋變成軸向豎紋。

2）在磨削試驗過程中，改變磨削工藝參數可以控制試樣表面殘余應力的變化趨勢，以便為后續殘余應力的研究提供試驗數據支撐。

3）殘余應力測試過程中，由于圓柱型試樣表面存在落差，殘余應力測試比較困難，在測量過程中隨著機械臂的擺動，X束斑會發生偏移，所得結果有一定偏差，故測量時根據條件選擇直徑較小的光斑進行測量。

4）圓棒試樣加工過程中應關注過渡弧處質量，否則樣品斷裂時易斷在過渡弧處，造成無效試驗；試樣表面殘余壓應力的增加會增加鈦合金低周疲勞壽命，但當試樣表面的殘余壓應力超過230 MPa時，鈦合金的低周疲勞壽命降低。

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Characterization of Residual Stress during Machining and Its Effect on Low Cycle Fatigue Life of Titanium Alloy Specimens

LI Zhi-long1, GAO Yi-fei1,2, MA Ya-xin1,3, ZHANG Zhi-wei2

(1. Central Iron and Steel Research Institute, Beijing 100081, China; 2. NCS Testing Technology Co., Ltd., Beijing 100081, China; 3. Chengdu Aeronautic Polytechnic, Chengdu 610100, China)

The work aims to investigate the change of residual stress during machining and the effects of residual stress on the low-cycle fatigue life of titanium alloy TC4 samples. X-ray diffraction method was used to characterize the residual stress on the surface of the sample after turning, grinding and polishing, and analyze the effects of processing technology on them. Low cycle fatigue test was conducted on the hydraulic servo universal testing machine to analyze the effects of the residual stress on the life of the sample. The results showed that the residual stress on the machined surface decreased after roughing, finishing, grinding and polishing. The effects of turning parameters on the residual stress on the sample surface were in the order of feed speed>rotational speed>unit feed quantity. Changing the grinding process parameters can control the variation trend of residual stress on the surface of the sample. Longitudinal casting can change the grain state of the sample surface, but the surface residual stress was at the same level as after grinding. According to the fatigue test results, the residual compressive stress on the sample surface can improve the fatigue life of the material, but when it is higher than 230 MPa, the fatigue life is obviously reduced. Surface residual compressive stress will increase the fatigue life of materials to a certain extent, but when it exceeds a certain value, it will cause harm to fatigue low-cycle test.

X-ray diffraction method; orthogonal test; turning; grinding; polishing; low cycle fatigue

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.03.017

TG519.1

A

1674-6457(2022)03-0133-08

2021-11-03

國家新材料測試評價平臺鋼鐵行業中心開放課題（ZNCS193-2020）

李志龍（1992—），男，碩士生，主要研究方向為材料科學與工程。

高怡斐（1972—），女，博士，教授級高級工程師，博士生導師，主要研究方向為金屬材料力學性能表征方法和標準制定。