0TC4棒材室溫疲勞壽命測定及S—N曲線的建立

房永強　楊軍紅　鄭曉斐

摘 要：本文利用升降法確定TC4棒材的疲勞極限，采用成組法確定高應力下疲勞壽命，數據處理后建立了TC4合金棒材疲勞試驗S-N曲線。

關鍵詞：疲勞；TC4；S-N曲線

中圖分類號：TG146 文獻標識碼：A

0.引言

TC4屬于α+β型鈦合金，其具有良好的綜合力學性能，比強度高、熱強度好、耐腐蝕，因此在航空、航天領域中使用越來越廣泛，其用于制作飛機結構件和發動機中的主要構件，這些零件通常是在交變載荷環境中運轉，這勢必就會引起疲勞。據統計，在各種機械失效中50%～90%是由疲勞引起的，很多失效表現為突然斷裂。因此研究TC4疲勞強度對提高機械產品的可靠性和使用壽命有著非常重要的意義。本文對TC4棒材的疲勞性能進行研究，測定了TC4的疲勞壽命，建立了疲勞壽命S-N曲線。

1.試驗原理

依據GB/T 3075-2008選擇應力比R=0.1，在室溫下進行疲勞試驗，用升降法確定材料的室溫疲勞極限，升降法是在給定循環基數下測定疲勞極限，試驗時，從高于疲勞極限的應力水平開始，然后逐級下降，通過107則增加一級應力，反之降低一級應力，直到試驗個數滿足試驗要求。成組法確定高應力疲勞壽命，成組法是在每級應力水平下試驗一組試樣，最后在每級應力水平下得到一組疲勞壽命。TC4疲勞S-N曲線的建立采用直線擬合法。

2.試驗過程

2.1實驗要求

2.1.1試樣

試樣加工成d=5mm的漏斗形試樣，以防試驗時試樣發熱變形導致試驗無法進行，為降低應力集中，試樣漏斗部分的圓弧半徑應不小于10d，試樣工作部分最小半徑應在80倍光學投影儀上測量實際數據，且試樣無劃痕和損傷，表面質量應一致，以防止由于表面粗糙而產生斷裂。試樣的連接端螺紋按三級精度制造，且必須要進行螺紋磨，大量試驗表明，螺紋中細小的裂紋都會導致試樣斷裂，從而影響試驗。試樣的頭部和工作部分接弧需光滑，圓弧過渡部分應緩和均勻無劃痕。

2.1.2設備要求

設備的精度應滿足0.5級，為避免拉伸過程中產生的彎矩對試驗造成影響，設備的同軸度應保證在10%以內。

2.1.3試驗過程

試驗時，試樣必須與上下夾塊須緊配合，以防止試驗過程中試樣抖動，受力不穩，螺紋失效。

2.2升降法確定疲勞極限

材料在長壽命區疲勞壽命具有分散性，用常規方法得到的數據不準確，本文選擇了升降法測定材料的疲勞極限。試驗前進行預試驗，根據TC4室溫拉伸試驗的屈服強度作為參考點，選擇一個略高于疲勞極限的應力作為起始應力，反復試驗，確定起始應力715MPa，應力增量為30 MPa，選擇4級應力水平進行試驗，試驗數據見表1。

2.3成組法確定高應力疲勞壽命

利用升降法得到材料的疲勞極限后，取6級應力水平，在每級應力水平下試驗一組試樣，根據經驗選擇5個試樣，應力增量為40 MPa，試驗數據見表2。

2.4數據可靠性驗證

試樣的數量取決于試驗數據的分散度和所要求的置信度γ，本試驗取置信度γ為95%，每組試樣數n應滿足

根據式（3）和式（4）計算每級應力水平下對數壽命和對數疲勞壽命標準差s，見表2。通過計算每級應力水平的變異系數Cv、查閱t分布函數，驗證了每級應力水平試樣數均能夠滿足公式（2）的要求，即試樣的個數能夠滿足本試驗要求的置信度。

2.5 S-N曲線的建立及分析

升降法測定的疲勞極限與成組法測定的中值疲勞壽命合并在一起，以循環次數中值疲勞壽命N為橫坐標，最大應力σ為縱坐標，采用直線擬合法，得到TC4室溫疲勞壽命曲線，如圖2所示。

材料S-N圖形的平臺直觀地反映了TC4室溫疲勞極限，即理論上在此平臺以下的區域任意選取一個應力都能循環107而不發生斷裂。曲線部分反映的是此材料在給定應力下發生失效可循環的次數，即疲勞壽命。S-N曲線的建立可直觀地反映了材料的疲勞極限和高應力水平下材料的疲勞極限。從圖中可以清晰地看到，TC4高應力下的壽命分散性很大，特別是在700MPa時，表現得尤為突出。影響疲勞試驗分散性的因素有很多，如材料的均勻性、試樣的加工水平、試驗機的同軸度、試驗機的誤差、試驗溫度等因素。在給定材料的條件下，實驗過程中只有有效控制其他因素的影響，使疲勞壽命的分散性才能降到最低。

結語

疲勞試驗是一個周期漫長的試驗過程， S-N曲線的建立需要4周左右時間。試樣的加工水平、試驗機精度、應力水平的有效選擇以及試樣裝夾是疲勞試驗能否有效進行的主要影響因素。試驗中必須嚴格控制TC4疲勞試樣的加工水平，保證試驗機力值和同軸度的要求，根據經驗有效選擇檢測應力水平，試樣合理的裝夾，才能保證無效試樣數量的減少，有利于試驗效率和精度的提高。試驗數據需要驗證其可靠性和置信度，只有有效的數據方可建立有效的S-N曲線，對TC4疲勞性能的研究才有實質意義。

參考文獻

[1]楊學桐.力學性能試驗[M].北京：中國計量出版社，2008.

[2]G/T 3075-2008，金屬材料，疲勞試驗軸向力控制方法[S].endprint