鈦合金棒超聲疲勞試驗(yàn)的結(jié)果與討論

鈦合金具有密度小，強(qiáng)度高等優(yōu)異性能，在航空中的應(yīng)用極為廣泛，尤其是用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇和壓氣機(jī)的輪盤(pán)與葉片等構(gòu)件。當(dāng)鈦合金用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片時(shí)，這些部件在服役期間除了要承受一定的溫度載荷外，還要達(dá)到承受超過(guò)107周次應(yīng)力循環(huán)的要求。美國(guó)空軍已經(jīng)在“發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性大綱”中規(guī)定“發(fā)動(dòng)機(jī)部件的高周疲勞壽命應(yīng)達(dá)到109 循環(huán)周次”，目前工程上根據(jù)107所對(duì)應(yīng)的疲勞極限來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)越來(lái)越凸顯出不足。國(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者對(duì)鈦合金的疲勞性能進(jìn)行過(guò)研究，包括加載頻率對(duì)疲勞壽命的影響方面做了相關(guān)的研究。關(guān)于頻率對(duì)疲勞壽命是否有影響，不同的學(xué)者根據(jù)自己的研究結(jié)果，所持的觀點(diǎn)也不同。溫度的影響將使實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能與常溫下的結(jié)果做比較。則認(rèn)為在107周次以上的疲勞試驗(yàn)中，由于塑性應(yīng)變非常小，所引起的溫度變化可以忽略不計(jì)。研究表明，壓力容器鋼的高頻加載疲勞強(qiáng)度低于低頻加載的情況。研究結(jié)果顯示加載頻率的改變對(duì)直接時(shí)效GH4169高溫合金疲勞裂紋擴(kuò)展性能基本沒(méi)有影響。因此對(duì)于加載頻率對(duì)疲勞壽命是否有影響，還需要做進(jìn)一步的研究。本實(shí)驗(yàn)對(duì)鈦合金棒選取了兩種不同加載頻率的試驗(yàn)方法，做了超聲疲勞實(shí)驗(yàn)和旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)，對(duì)結(jié)果做了對(duì)比分析，得到了相關(guān)的結(jié)論。 

1.試樣的制備與試驗(yàn)方法 
本試驗(yàn)采用的是650℃退火1.5h的鈦合金棒，抗拉強(qiáng)度為959MPa，屈服強(qiáng)度為941MPa。化學(xué)成分（wt%）為：6.0Al，4.0V，0.15Fe，0.10C，0.01N，0.015H，0.13O，余Ti。 
根據(jù)諧振動(dòng)力學(xué)微分方程設(shè)計(jì)試樣如下，超聲疲勞試樣中間部分用圓弧代替。超聲疲勞實(shí)驗(yàn)采用島津USF-2000型超聲疲勞試驗(yàn)機(jī)在室溫下進(jìn)行，同時(shí)實(shí)驗(yàn)采用壓縮空氣降溫法，防止超聲實(shí)驗(yàn)時(shí)試樣溫度升溫過(guò)高[13，14]，同時(shí)設(shè)置間歇比為1：10（試驗(yàn)機(jī)工作110毫秒，停歇1100毫秒）。旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)采用四聯(lián)式旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)，試樣如圖2所示，實(shí)驗(yàn)在常溫下進(jìn)行。試驗(yàn)應(yīng)力比均為R=-1。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)試樣斷面進(jìn)行超聲波清洗處理，最后在掃描電鏡下進(jìn)行斷口觀察。 

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論 
2.1 S-N曲線 
從超聲疲勞實(shí)驗(yàn)和旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)的S-N曲線對(duì)比來(lái)看，兩種實(shí)驗(yàn)條件下，在超過(guò)108周次后，試樣依然發(fā)生失效，在108應(yīng)力循環(huán)周次內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)工程上的疲勞極限。同時(shí)從整體上看，低頻試樣的疲勞壽命整體上要高于高頻疲勞試樣，類(lèi)似的結(jié)果也在研究中出現(xiàn)過(guò)。 
本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示，兩種加載頻率下，試樣的疲勞壽命有一定的區(qū)別。加載頻率對(duì)試樣的壽命是如何影響的。一般來(lái)說(shuō)頻率對(duì)疲勞壽命的影響主要通過(guò)兩個(gè)方面來(lái)體現(xiàn)，一是高的加載頻率實(shí)驗(yàn)時(shí)試樣可能會(huì)產(chǎn)生升溫，當(dāng)溫度達(dá)到一定程度后會(huì)對(duì)材料的屬性產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響材料的疲勞壽命；二是高的頻率會(huì)對(duì)材料的應(yīng)變產(chǎn)生影響，采用超聲疲勞試驗(yàn)方法，頻率達(dá)到20kHz，如此高的頻率下，有可能材料的應(yīng)變速率跟不上頻率的變化，從而影響材料的疲勞壽命。本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示頻率對(duì)材料的疲勞壽命產(chǎn)生了一定的影響，但是具體是如何影響的，后文將進(jìn)一步分析。 

2.2 斷口形貌分析 
超聲疲勞試驗(yàn)（a，b）8.5×104周次和旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)（c，d）5.1×104周次的試樣斷口形貌，兩種試樣的斷口裂紋源附近斷口都很平整，在裂紋源附近區(qū)域有很多短小不連續(xù)的河流狀花紋，這是典型的解理斷裂特征，因此兩種試樣的破壞方式都表現(xiàn)為脆性破壞。斷口相對(duì)較平整，說(shuō)明裂紋在擴(kuò)展時(shí)速度非常快。 
超聲疲勞試驗(yàn)2.03×105周次和旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)2.72×106周次的試樣斷口形貌圖，可以看出，超聲疲勞試樣斷口相對(duì)平整，對(duì)斷口上的裂紋擴(kuò)展路徑上的部分區(qū)域放大，可以觀察到有許多斷斷續(xù)續(xù)的河流狀花紋，說(shuō)明超聲疲勞試樣高周階段也是呈現(xiàn)解理斷裂，試樣的破壞方式表現(xiàn)為脆性破壞。 
對(duì)2.72×106周次的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣斷口形貌進(jìn)行觀察可以看到，在裂紋源附近區(qū)域，可以看到大量的韌窩，說(shuō)明試樣破壞過(guò)程中發(fā)生了大量的塑性變形。對(duì)裂紋源擴(kuò)展路徑上的區(qū)域放大后觀察到，裂紋擴(kuò)展路徑上靠近表面的部分相對(duì)平整，說(shuō)明裂紋擴(kuò)展初期，試樣的破壞方式存在有解理破壞，但是隨著裂紋向內(nèi)擴(kuò)展，可以看到在擴(kuò)展路徑上有很多的韌窩，這就說(shuō)明裂紋在擴(kuò)展過(guò)程開(kāi)始向塑性破壞轉(zhuǎn)變，因此旋轉(zhuǎn)彎曲的破壞方式與超聲疲勞試樣在高周階段顯現(xiàn)出不同，試樣的破壞方式由脆性破壞向塑性破壞轉(zhuǎn)變。 
兩種超高周試樣的斷口形貌進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)兩種試樣的斷口呈現(xiàn)的特征是有區(qū)別的。對(duì)于1.72×108周次超聲疲勞試樣，斷口上有大量的短小不連續(xù)的河流狀花樣，同時(shí)對(duì)裂紋源附近的區(qū)域放大可以看到，該區(qū)域斷口上出現(xiàn)有大量冰糖狀的晶粒，這是由于裂紋沿著晶界擴(kuò)展造成的，所以會(huì)出現(xiàn)這樣的形貌，其破壞方式主要表現(xiàn)為解理破壞。
而對(duì)于1.96×108周次旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣來(lái)說(shuō)，在裂紋源處有大量的韌窩出現(xiàn)，說(shuō)明在裂紋萌生擴(kuò)展的過(guò)程中發(fā)生了大量的塑性變形，試樣是以塑性破壞主導(dǎo)的，這與超聲疲勞試驗(yàn)的脆性破壞方式是有區(qū)別的。

通過(guò)對(duì)以上不同加載頻率下的試樣斷口對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在低周階段不同頻率下沒(méi)有明顯區(qū)別，都是以脆性破壞主導(dǎo)的破壞方式。 在超高周階段，兩種加載頻率下試樣的失效方式則有很大的區(qū)別，超聲疲勞試樣主要是解理斷裂，破壞方式表現(xiàn)為脆性破壞。而對(duì)于旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣，從大量韌窩就可以看出，整個(gè)破壞過(guò)程中是以塑性破壞主導(dǎo)的，試樣破壞過(guò)程中發(fā)生了大量的塑性變形，試樣失效形式表現(xiàn)為塑性破壞。 

因此，綜上所述，超聲疲勞試驗(yàn)，試樣的破壞方式主要表現(xiàn)為脆性破壞，而旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，試樣從高應(yīng)力幅低壽命區(qū)域向低應(yīng)力幅高壽命區(qū)域發(fā)展的過(guò)程中，破壞方式逐漸由脆性破壞向塑性破壞方式轉(zhuǎn)變。