TiAl基合金的拉伸疲勞斷裂機理

林有智，周少秋，曹 睿，陳劍虹

（1.寧德職業技術學院機電工程系，寧德355000；2.蘭州理工大學甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點實驗室，蘭州730050）

0 引 言

TiAl基合金具有密度小、韌性好、比強度高和高溫性能好等優點，因此在航空、航天和軍事等領域得到了廣泛應用。目前關于TiAl基合金在靜態加載下損傷斷裂的研究工作較多［1－3］，且比較完善，但關于磨損、沖擊、疲勞等條件下TiAl基合金斷裂失效與壽命關系的研究還較少。Trail等［4］對γ－TiAl合金缺口試樣進行疲勞試驗后指出，顯微結構、殘余應力以及表面粗糙度對其疲勞裂紋擴展壽命有重大影響，而且隨著應力集中系數的增大，表現出了更強的缺口強化效應；Gloanec等［5］對用鑄造方法和粉末冶金方法制備的γ－TiAl合金的疲勞裂紋擴展行為進行了研究。結果表明，前者具有粗層狀組織和較高的疲勞裂紋擴展抗力，這是因為在鑄造合金中，裂紋以穿層斷裂擴展，而在粉末冶金得到的合金中裂紋以穿晶斷裂擴展，這就使得裂紋擴展在粗大組織的鑄造材料中較曲折，而在組織較細的粉末冶金材料中較平坦，故前者的疲勞裂紋擴展抗力較好。Henaff等［6］認為，對于長裂紋而言，層狀顯微組織具有較高的疲勞裂紋擴展抗力，一旦裂紋尖端屏蔽效應被考慮時，在空氣中疲勞門檻值并不受顯微結構的影響。盡管國內外對TiAl基合金疲勞性能的研究已經做出了一些工作，但對其疲勞斷裂機理的研究還很少。為此，作者對TiAl基合金進行了拉伸疲勞試驗，觀察拉伸疲勞斷裂試樣的斷口和表面形貌，分析斷裂裂紋源和河流紋的走向規律，判斷導致試樣最終斷裂的主要原因和斷裂前的臨界事件，從而確定TiAl基合金拉伸疲勞的斷裂機理。

1 試樣制備與試驗方法

試驗所用材料為英國伯明翰大學提供的全層狀γ－TiAl基合金，其化學成分 （質量分 數／%）為45.8Ti，44Al，4.0Nb，5.0Hf，0.2Si，1.0B。將其在1 300℃下進行1h穩定化真空熱處理，然后隨爐冷卻，該全層狀γ－TiAl基合金的室溫顯微組織如圖1所示，其層團的平均晶粒尺寸約為100μm。

圖1 全層狀γ－TiAl基合金的顯微組織Fig.1 Microstructure of fully lamellarγ－TiAl based alloy

用CKX－2AJ型電火花線切割機切出厚約2.7mm的拉伸疲勞試樣，如圖2所示。室溫下，在Instron－1341型試驗機上進行拉伸疲勞試驗，頻率為30Hz，波形為正弦波，應力比R為0.1。采用JSM－6700F型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察拉伸疲勞斷裂試樣的斷口和表面形貌。

圖2 拉伸疲勞試樣的尺寸Fig.2 Dimension of tensile fatigue specimen

2 試驗結果與討論

2.1 拉伸疲勞斷裂試樣的斷口形貌

從表1可以看出，隨著最大應力的降低，全層狀γ－TiAl基合金拉伸金疲勞循環的壽命增加，其拉伸疲勞極限小于378MPa。

由圖3可見，試樣B－TF－103斷口上有很大的二次裂紋，如圖3（b）箭頭所示，且未發現沿層斷裂的跡象，其斷裂過程很快，所產生的裂紋來不及擴展，試樣就已經斷裂，所以在圖3中只能看到脆斷的特征；根據解理斷裂河流花樣的特征知該試樣解理斷裂的裂紋源位置如圖3（a）箭頭所示，從這個裂紋源出發，沿著各個方向存在發散性的解理河流紋；該試樣即使經過一定的疲勞變形，仍以脆性解理方式斷裂，斷裂特征為沿層和穿層斷裂的混合體，但以穿層斷裂為主，并伴有河流花樣特征。

表1 全層狀γ－TiAl基合金拉伸疲勞試驗結果Tab.1 Results of tensile fatigue tests for TiAl based alloys

圖3 試樣B－TF－103斷口不同位置的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of fracture in different locations for specimen B－TF－103：（a）low magnification and（b）high magnification

由圖4可見，在靠近斷口的很小范圍內存在很小的裂紋，如圖4中箭頭所示，但是在離開斷裂面50μm之外的區域上幾乎沒有任何微裂紋存在。這說明經過一定的疲勞循環后該試樣表面仍未產生宏觀尺寸的裂紋，疲勞過程中試樣表面裂紋逐漸產生與擴展直至斷裂的過程也就不會存在，該試樣是因為微裂紋擴展到一定尺寸，滿足Griffiths條件而斷裂。和靜態加載不同，拉伸疲勞試驗中裂紋源形成過程是疲勞的過程。在斷口側面很近區域內所產生的小裂紋實際上是材料在斷裂瞬間產生的二次裂紋。

由圖5可見，試樣B－TF－202的斷口上有明顯的河流花紋走向，并從圖5（a）右上角的箭頭處沿多個方向發散擴展，直至試樣各處邊緣，可判斷試樣斷裂的裂紋源位于該試樣斷口的右上角附近；該試樣的裂紋源區由大量沿層面和少量穿層面組成，裂紋源位置非常接近試樣邊緣，當裂紋長度擴展到約180μm后，試樣發生脆性解理斷裂；從解理面中可以看到裂紋基本沿著有利取向的沿層面擴展，因為材料的沿層面相對比較薄弱。由于在拉伸疲勞過程中有足夠的時間，裂紋可以沿最有利的路徑擴展，因此拉伸疲勞過程中最大應力要比靜態拉伸中的斷裂應力小很多。

圖4 試樣B－TF－105的側面形貌Fig.4 Profile morphology of specimen B－TF－105：（a）secondary cracks；（b）micro secondary cracks

圖5 試樣B－TF－202的斷口形貌Fig.5 Fracture morphology of specimen B－TF－202：（a）macrograph；（b）crack initiation and（c）cleavage face

由圖6可見，試樣B－TF－204斷口上有自左而右、自下而上的明顯的河流花紋走向；起裂位置依然在其邊角處，主要的擴展路徑是沿對角線方向。在擴展初期，試樣相當平整（即基本都是沿層面）；在擴展后期，由于材料的抵抗裂紋擴展能力嚴重下降，試樣內部裂紋的擴展十分迅速，來不及選擇有利取向的沿層面擴展試樣便急速斷裂，因而擴展路徑出現了分叉并伴有許多穿層面。試樣的裂紋源位于其邊角處說明拉伸疲勞試驗中邊角處是其最薄弱的地方。從裂紋擴展路徑可以看到，材料內部裂紋起始的擴展總是能避開那些不利的穿層晶粒而沿著晶粒的沿層面擴展，這是因為在拉伸疲勞初期，試樣可以有更多的時間來選擇最有利的路徑擴展。因此，拉伸疲勞解理斷裂的臨界裂紋尺寸約為180μm，比靜態拉伸斷裂臨界裂紋的尺寸（80μm）大一些［7］。

圖6 試樣B－TF－204的斷口形貌Fig.6 Fracture morphology of specimen B－TF－204：（a）macrograph；（b）crack initiation and（c）crack propagation path

通過上述分析可見，試樣斷口上都有很明顯的河流花紋走向和唯一的裂紋源，斷口以沿層面為主，穿層面只占少數。試樣的裂紋源常位于斷口表面的角落（即矩形截面試樣長度和寬度的夾角部位），然后沿多個方向解理擴展，直至試樣各個邊緣，最終發生脆性解理斷裂。

結合斷口分析可知疲勞拉伸試樣的斷裂機理如下：在疲勞拉伸載荷作用下，應力較高處形成沿層裂紋之后不斷擴展、連接并通過穿層開裂，當裂紋的長度與外加載荷滿足Griffiths條件時，發生脆性解理斷裂。同時，隨著最大外加應力（疲勞應力幅值）的降低，所需要引發脆性解理斷裂的臨界裂紋尺寸也越長，產生如此長裂紋所對應的疲勞極限也就越大。當所加的最大應力（疲勞應力幅值）低于產生脆性解理裂紋臨界長度所匹配的應力值時，試樣不會斷裂。疲勞拉伸試樣的斷裂示意如圖7所示。

圖7 疲勞拉伸試樣的斷裂路徑示意圖Fig.7 Schematic of fracture path of specimen in the tensile fatigue

2.2 拉伸疲勞卸載試樣的表面形貌

由表1可知，試樣B－TF－106的循環最大應力為402MPa，取試樣B－TF－105疲勞壽命的90%作為試樣B－TF－106的循環次數，然后卸載，觀察表面有無裂紋產生。從圖8可見，整個標距范圍內很難找到裂紋。在其它幾個拉伸疲勞卸載試樣的表面也很難找到裂紋，這說明這批材料的脆性很大，裂紋擴展速率也很大，拉伸過程中一旦有裂紋產生便立即擴展，并導致斷裂。可見，在這些應力幅下循環到一定周次時，該全層狀γ－TiAl基合金基本未產生損傷，也沒有微裂紋產生，可以推測疲勞循環加載下該材料的斷裂形式與直接靜態拉伸下的斷裂方式一樣，都是解理斷裂。

3 結 論

（1）斷裂試樣的斷口形貌上有很明顯的河流花紋走向和唯一的起裂源，斷口以沿層面為主，穿層面只占少數；裂紋源常位于斷口表面的角落，然后沿多個方向解理擴展，擴展至試樣各個邊緣，直至材料發生脆性解理斷裂。

（2）卸載試樣的表面形貌上難以觀察到任何顯微裂紋。

（3）該全層狀γ－TiAl基合金拉伸疲勞的斷裂機理是：在應力作用下，首先在試樣邊角處形成裂紋源，然后在載荷作用下不斷擴展、連接并通過穿層開裂，當裂紋光度長度達到外加載荷下所需脆性解理斷裂的臨界裂紋尺寸時，即滿足Griffiths條件時，材料發生脆性解理斷裂。

［1］曹睿，朱浩，張繼，等.全層TiAl基合金平板拉伸連續卸載試驗［J］.機械工程材料，2007，31（1）：16－19.

［2］曹睿，陳劍虹，張繼，等.γ－TiAl基合金的室溫拉伸性能與斷裂韌度的關系［J］.機械工程材料，2005，29（3）：18－21.

［3］曹睿，李雷，張繼，等.TiAl金屬間化合物基合金壓縮斷裂行為［J］.機械工程學報，2011，47（6）：39－44.

［4］TRAIL S J，BOWEN P.Effect of stress concentrations on the fatigue life of a gamma－based TiAl［J］.Materials Science and Engineering：A，1995，192／193：427－434.

［5］GLOANEC A L，HENAFF G，BETHEACE D，et al.Fatigue crack growth behavior of a gamma－titanium－aluminide alloy prepared by casting and powder metallurgy［J］.Scripta Materials，2003，49：825－830.

［6］HENAFF G，GLOANEC A L.Fatigue properties of TiAl alloys［J］.Intermetallics，2005，13：543－558.

［7］曹睿，林有智，陳劍虹，等.全層狀TiAl基合金拉伸試驗斷裂過程及機理［J］.機械工程學報，2008，44（1）：40－45.