多次激光噴丸作用下TC4鈦合金的疲勞性能及微裂紋擴(kuò)展預(yù)測模型

周曉剛，紀(jì)飛飛,2

(1.蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘇州 215411；2.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

鈦合金具有密度小、強(qiáng)度高以及耐腐蝕性能和生物相容性良好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)療、核工業(yè)等領(lǐng)域[1]；但是其表面抗疲勞性能差、硬度低、耐磨性差的缺點易引起裂紋萌生及擴(kuò)展，進(jìn)而導(dǎo)致疲勞斷裂，這極大限制了其在極端環(huán)境下的應(yīng)用[2-3]。在航空關(guān)鍵零部件應(yīng)用領(lǐng)域，80%的失效是由疲勞損傷導(dǎo)致的，而其中50%90%的損傷是由應(yīng)力集中區(qū)的斷裂失效引起的[4]。金屬構(gòu)件的疲勞性能與其表面結(jié)構(gòu)的完整性密切相關(guān)。激光噴丸技術(shù)是一種表面改性技術(shù)，具有非接觸、無熱影響區(qū)、低變形、高柔性等突出優(yōu)點，能夠顯著細(xì)化材料表層晶粒，形成殘余壓應(yīng)力層；同時，該技術(shù)還能實現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件表面的改性[5]。表層殘余壓應(yīng)力的形成可以有效抵消外載荷的作用，使得疲勞裂紋的萌生位置由表面轉(zhuǎn)向次表面[6]；并且根據(jù)Hall-Petch理論，晶粒細(xì)化可以提高材料的強(qiáng)度以及位錯滑移的變形抗力，抑制滑移帶的產(chǎn)生，從而阻礙微裂紋擴(kuò)展。因此，噴丸強(qiáng)化可以明顯改善材料的疲勞性能。

目前材料的疲勞性能主要采用基于Paris、Walker、Forman、Hartman、Klesnil和IAB等理論的修正模型，或者采用計算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行預(yù)測。但是，關(guān)于激光噴丸強(qiáng)化后材料疲勞性能的預(yù)測，特別是噴丸強(qiáng)化后疲勞裂紋擴(kuò)展速率和壽命預(yù)測還沒有完全適用的模型。任旭東等[7]采用應(yīng)力強(qiáng)度因子疊加方法構(gòu)建裂紋尖端應(yīng)力場強(qiáng)度因子解析式，用于描述金屬板料的裂紋萌生壽命和裂紋擴(kuò)展速率；李媛等[8]研究發(fā)現(xiàn)，裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅滿足雙對數(shù)曲線關(guān)系，并且通過疲勞試驗確定了相關(guān)參數(shù)，獲得了激光噴丸后TC17合金的裂紋擴(kuò)展速率預(yù)測模型；SUN等[9]采用多項式法對不同噴丸能量下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率進(jìn)行描述，得出不同噴丸能量和噴丸次數(shù)組合下的裂紋擴(kuò)展速率解析式。盡管上述研究已經(jīng)涉及到激光噴丸強(qiáng)化工藝下的疲勞性能及裂紋擴(kuò)展速率的模型構(gòu)建，但是大多是從激光誘導(dǎo)表面殘余壓應(yīng)力層對材料疲勞性能影響的角度進(jìn)行分析的，忽視了晶粒介微觀尺寸效應(yīng)對裂紋萌生、擴(kuò)展的阻滯作用。

作者以TC4鈦合金為試驗材料，研究了不同次數(shù)激光噴丸誘導(dǎo)產(chǎn)生的不同尺寸晶粒對疲勞強(qiáng)度及微裂紋擴(kuò)展速率的影響，構(gòu)建了基于殘余壓應(yīng)力及晶粒尺寸的疲勞裂紋擴(kuò)展預(yù)測模型，并對模型進(jìn)行試驗驗證。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為TC4鈦合金板，由西安航天新材料有限公司提供。在鈦合金板上線切割出如圖1(a)所示的板狀試樣，依次用200#～2000#砂紙打磨拋光后真空放置，防止試樣與空氣接觸發(fā)生氧化反應(yīng)。采用納秒Gaia型激光器產(chǎn)生的震蕩脈沖照射吸收層為鋁箔、約束層為水的試樣表面，照射區(qū)域為圖1(a)中I區(qū)，試樣被夾持在庫卡機(jī)器人機(jī)械手KR30-3中，通過控制該機(jī)械手的運(yùn)動軌跡調(diào)整試樣位置，并實現(xiàn)如圖1(b)所示的激光掃描路徑；通過控制機(jī)械手KR5R 1400來控制作為約束層水流的噴射速度及位置。激光波長為1 064 nm，光斑能量為6.5 J，光斑直徑為3 mm，搭接率為50%，脈沖寬度為18 ns，重復(fù)頻率為10 Hz，沿路徑掃描完成后即為激光噴丸1次，分別噴丸1，2，3次。

圖1 疲勞試樣形狀及激光噴丸方案

按照ASTM E 466-96，在MTS Landmark型液壓伺服測試裝置上對未噴丸試樣和噴丸試樣進(jìn)行升降法高周疲勞試驗，疲勞試驗應(yīng)力增量為5 MPa，試驗頻率為35 Hz，應(yīng)力循環(huán)系數(shù)為0.3。對塊狀平板試樣進(jìn)行噴丸處理后，在MTS880±100KN型電液伺服電機(jī)上預(yù)制裂紋，再進(jìn)行微裂紋擴(kuò)展試驗。平板試樣的寬度為120 mm，厚度為3 mm，激光噴丸時的光斑半徑為3 mm，預(yù)制微裂紋長度為0.01 μm，應(yīng)力比為0.1，外載荷為正弦載荷，溫度保持在25～27 ℃，加載頻率在90～110 Hz。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 激光噴丸次數(shù)對疲勞性能的影響

由表1可以看出，隨著激光噴丸次數(shù)的增加，TC4鈦合金的疲勞強(qiáng)度增大，疲勞壽命延長，但是疲勞強(qiáng)度增幅逐漸降低，而疲勞壽命則一直呈快速增長趨勢。這說明當(dāng)噴丸次數(shù)不大于4次時，激光噴丸工藝對TC4鈦合金的疲勞性能提升作用明顯。這主要是因為激光噴丸引入了殘余壓應(yīng)力層，有效抵消了一部分外載荷的作用。此外，引入的殘余壓應(yīng)力對疲勞微裂紋擴(kuò)展還具有阻礙和閉合作用。

表1 不同次數(shù)激光噴丸后TC4鈦合金試樣的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命

2.2 疲勞斷口形貌

由圖2可知：未噴丸TC4鈦合金試樣的疲勞斷口上出現(xiàn)較大面積塊狀解理面，解理面與其承受的拉應(yīng)力方向垂直，解理面中還存在一定數(shù)量的解理臺階，呈現(xiàn)出脆性斷裂特征。TC4鈦合金中的密排六方結(jié)構(gòu)α相和體心立方結(jié)構(gòu)β相在常溫下極易發(fā)生此類穿晶斷裂。激光噴丸1次后，疲勞斷口上出現(xiàn)大量的解理面，這些解理面呈現(xiàn)扇狀分布，構(gòu)成典型的準(zhǔn)解理面群特征，在準(zhǔn)解理面附近分布著一定數(shù)量的夾雜物和韌窩；相比于未噴丸試樣，激光噴丸1次后試樣的解理面面積減小，并且出現(xiàn)了韌窩和夾雜物，表明其斷裂方式從解理斷裂向準(zhǔn)解理斷裂過渡[10]。激光噴丸2次后，試樣疲勞斷口上的準(zhǔn)解理面特征逐漸弱化，韌窩和夾雜物特征逐漸增強(qiáng)，說明試樣的塑性進(jìn)一步提高，其斷裂方式變?yōu)橐皂g性斷裂為主。激光噴丸3次后試樣疲勞斷口以韌窩和夾雜物為主，韌窩呈密集排列的蜂窩狀，這表明試樣發(fā)生了韌性斷裂。綜上可知，隨著激光噴丸作用次數(shù)的增加，TC4鈦合金的塑性增強(qiáng)，斷裂機(jī)制由脆性斷裂向韌性斷裂轉(zhuǎn)變。

圖2 不同次數(shù)激光噴丸前后試樣的高周疲勞斷口形貌

2.3 疲勞裂紋擴(kuò)展模型

激光噴丸技術(shù)能夠細(xì)化材料表層晶粒，并誘導(dǎo)形成殘余壓應(yīng)力層。建立基于晶粒尺寸和殘余壓應(yīng)力的疲勞裂紋擴(kuò)展模型，對激光噴丸強(qiáng)化材料的疲勞性能預(yù)測及工藝參數(shù)設(shè)置具有重要指導(dǎo)作用。

目前，疲勞裂紋擴(kuò)展及壽命的預(yù)測主要基于Paris公式[11]進(jìn)行，其表達(dá)式為

(1)

式中：c為1/2裂紋長度；N為疲勞循環(huán)次數(shù)；C為常數(shù)；ΔK為應(yīng)力強(qiáng)度因子幅。

在疲勞損傷開始階段微細(xì)裂紋萌生、擴(kuò)展時，晶界對其有抑制和阻礙作用，因此式(1)中的C不是固定不變的，需要隨著應(yīng)力和晶粒尺寸的變化而不斷進(jìn)行修正。王永廉等[12]采用包含晶界對裂紋擴(kuò)展作用的抑制參數(shù)j對式(1)進(jìn)行修正，則：

(2)

(3)

式中：m，a為常數(shù)，與材料、外界環(huán)境因素有關(guān)；Δσj為疲勞極限；Δσ為應(yīng)力幅；D為晶粒邊界尺寸。

考慮到材料疲勞性能受外載荷作用形式(應(yīng)力比R)及材料本身性能(斷裂韌度Kc)影響，進(jìn)一步對式(2)進(jìn)行修正[13]得到：

(4)

激光噴丸強(qiáng)化技術(shù)能夠在材料表面誘導(dǎo)生成殘余壓應(yīng)力，殘余壓應(yīng)力會提高裂紋尖端處的閉合力從而阻滯裂紋擴(kuò)展，而且還會抵消熱應(yīng)力和加工殘留的拉應(yīng)力而降低應(yīng)力強(qiáng)度因子。因此，采用殘余應(yīng)力強(qiáng)度因子Kr，并考慮殘余壓應(yīng)力對裂紋尖端的閉合作用引入張開應(yīng)力強(qiáng)度因子Kop來計算有效應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔKeff[14]，計算公式為

ΔKeff=(Kmax+kKr)-Kop

(5)

式中：Kmax為最大應(yīng)力強(qiáng)度因子；k為系數(shù)，表征的是殘余應(yīng)力作用的強(qiáng)弱，與材料強(qiáng)度等因素有關(guān)。

將式(5)代入式(4)并積分處理后得到：

(6)

式中：a為裂紋長度，a=2c。

假定試樣在疲勞工作環(huán)境下，所受力為F，作用面積為B(W-2c)(B為試樣厚度；W為試樣寬度)，斷裂前外加力F與拉伸應(yīng)力σx成線性關(guān)系，斷裂開始臨界作用力Fmax對應(yīng)的應(yīng)力為σmax，則根據(jù)能量守恒定律可得：

(7)

式中：x為裂紋擴(kuò)展長度。

(8)

式中：α為修正系數(shù)，用以消除假設(shè)拉伸應(yīng)力與外加力在裂紋前沿呈線性關(guān)系產(chǎn)生的誤差。

激光噴丸強(qiáng)化作用產(chǎn)生的殘余應(yīng)力強(qiáng)度因子Kr[15]可表示為

(9)

式中：σh為深度h處的殘余應(yīng)力；Lp為殘余應(yīng)力及塑性變化影響深度。

由試驗結(jié)果可知，沿著材料深度方向，殘余應(yīng)力影響效果逐漸減弱，晶粒尺寸逐漸增大直至原始晶粒尺寸。為了便于計算，假定激光噴丸強(qiáng)化誘導(dǎo)的殘余應(yīng)力沿著材料深度方向呈線性降低，即σh與表面殘余應(yīng)力σsurf之間滿足：

(10)

將式(10)代入式(9)，則可得

(11)

將式(3)、式(8)、式(11)代入式(6)，即可得到激光噴丸強(qiáng)化后材料疲勞壽命計算公式：

(12)

通過查閱手冊，計算得到各參數(shù)如下：R=0.1，B=3 mm，W=120 mm，D取值在0.1～10 μm之間，Kc取值在57.8～86.3 MPa·m1/2之間，h介于0Lp之間，Lp=0.816 mm，a=1，F(xiàn)=1.5 kN，常溫下α取值在0.460.875之間，C取值在0.02～0.4之間，m取值在2.2～8.6之間，Δσj取值在888.39～1 088.53 MPa之間，Δσ=5 MPa，k取值在0～1之間。當(dāng)裂紋長度2c為0.01 μm時，Kop/Kmax=0.113。將這些參數(shù)代入式(12)，計算得到不同噴丸次數(shù)下材料的疲勞壽命，見表2。

由表2可知，由式(12)預(yù)測模型預(yù)測得到的疲勞壽命與試驗值的相對誤差在10%以內(nèi)，說明該模型較準(zhǔn)確，在一定程度上可用于指導(dǎo)制定激光噴丸材料表面改性工藝。

表2 不同次數(shù)激光噴丸后TC4鈦合金高周疲勞壽命的實測值與模型預(yù)測值

3 結(jié) 論

(1)激光噴丸能夠顯著提高TC4鈦合金的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命，且疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命隨著噴丸次數(shù)的增加而增大。

(2)隨著噴丸次數(shù)的增加，TC4鈦合金的高周疲勞斷裂方式由脆性斷裂向韌性斷裂轉(zhuǎn)變，當(dāng)噴丸次數(shù)達(dá)到3次時，斷裂方式完全轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂。

(3)引入抑制參數(shù)對Pairs公式進(jìn)行修正，建立了包含晶粒尺寸、殘余應(yīng)力影響深度等參數(shù)的激光噴丸疲勞微裂紋擴(kuò)展預(yù)測模型，預(yù)測得到的疲勞壽命與試驗值的相對誤差在10%以內(nèi)。