TC4-DT鈦合金的室溫高周疲勞斷裂特點

姜 濤,張 兵,張仕朝,王新南

(1.中國航發北京航空材料研究院,北京 100095;2.航空工業失效分析中心,北京 100095;3.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室,北京 100095;4.材料檢測與評價航空科技重點實驗室,北京 100095;5.中國航空發動機集團材料檢測與評價重點實驗室,北京 100095)

0 引 言

為了適應飛機損傷容限設計要求,國外已開發出了具有高斷裂韌度和低裂紋擴展速率的損傷容限型鈦合金,如Ti-6Al-4V超低間隙合金、Ti1023合金等,并針對工程服役時最為關心的材料疲勞特性、組織和工藝對疲勞性能的影響等方面開展了大量研究工作[1-3]。研究[4-5]發現,經β退火獲得的片層組織更有利于降低合金的疲勞裂紋擴展速率,具有更高的損傷容限性能。TC4-DT鈦合金是針對我國航空工業需求而自主開發的中強高損傷容限型鈦合金,經過準β熱處理后也具有優良的損傷容限特性。目前,關于TC4-DT鈦合金疲勞問題的基礎研究[6-10]主要集中于疲勞裂紋擴展的宏觀規律和微觀機理上,其中:宏觀規律主要研究疲勞裂紋擴展的控制參數以及影響裂紋擴展速率的因素;微觀機理則是討論在循環載荷下裂紋如何擴展,及其與顯微組織、結構和性能的相互關系。疲勞裂紋的形成包括微裂紋的形成、擴展和連接,而在交變應力作用下裂紋的萌生和穩態擴展一直是研究的重點[11-17]。除了上述研究方向外,疲勞試樣中還保留了其他有價值的信息,例如可從斷口特征的變化規律反推試驗狀態差異、壽命差異、組織差異等信息。為此,作者在不同應力比和不同最大應力下開展了TC4-DT鈦合金的室溫軸向高周疲勞試驗,對不同疲勞壽命下光滑和缺口試樣斷口的宏觀與微觀形貌特點進行觀察,以期為該類材料的疲勞斷裂行為研究、工程結構的設計優化以及工程產品失效分析提供借鑒與參考。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為厚80 mm的損傷容限型TC4-DT鈦合金自由鍛件,由陜西宏遠航空鍛造有限責任公司提供,其化學成分見表1。對試驗合金進行準β熱處理,具體的工藝為Tβ-40 ℃保溫1 h(Tβ為β相變點溫度,為970 ℃),隨爐升溫至Tβ+12 ℃保溫30 min空冷,再進行730 ℃×2 h退火,空冷。退火后試驗合金的抗拉強度為887 MPa,顯微組織為典型的α+β兩相片層組織,如圖1所示。

圖1 退火后TC4-DT合金的顯微組織Fig.1 Microstructure of TC4-DT alloy after annealing: (a) at low magnification and (b) at high magnification

表1 TC4-DT鈦合金的化學成分Table 1 Chemical composition of TC4-DT titanium alloy

按照GB/T 3075—2008,在試驗合金上截取如圖2所示的理論應力集中系數Kt為1的光滑試樣和Kt為5的缺口試樣,在QBG-50型電磁諧振式高頻疲勞試驗機上進行室溫軸向高周疲勞試驗,試驗頻率為100 Hz,正弦波加載,應力比R為0.5,-1,具體試驗參數及疲勞壽命如表2所示。采用FEI Nova 450型掃描電子顯微鏡(SEM)對疲勞斷口的宏微觀形貌進行觀察。

圖2 高周疲勞試樣的結構和尺寸Fig.2 Structure and dimension of high-cycle fatigue specimens: (a) smooth sample and (b) notched sample

表2 室溫高周疲勞試驗參數及疲勞壽命Table 2 Parameters for room-temperature high-cycle fatigue test and fatigue life

2 試驗結果與討論

2.1 光滑試樣的疲勞斷口典型特征

由圖3和圖4可知:在應力比為0.5條件下,光滑試樣的疲勞斷口表面粗糙,起伏很大,斷面可見明顯的塑性變形,低倍類解理特征不明顯;104周次疲勞壽命下斷口無明顯平坦疲勞區,隨著疲勞壽命的延長,疲勞斷口開始出現宏觀平坦的疲勞裂紋擴展區。光滑試樣斷面存在不同形態的韌窩和滑移漣波特征,疲勞裂紋源位于試樣內部和次表面,無明顯缺陷;隨著疲勞壽命的延長,裂紋源逐漸變為單源,疲勞裂紋源周圍的放射棱線區放大后可見疲勞條帶;平坦區以外的斷面粗糙傾斜,為裂紋快速擴展區和瞬斷區,二者在宏觀上無明顯分界;隨著疲勞壽命的延長,疲勞條帶更為細密,高周疲勞特征更為典型。

圖3 在應力比為0.5條件下不同疲勞壽命光滑試樣的疲勞斷口宏觀形貌Fig.3 Macromorphology of fatigue fracture of smooth specimens with different fatigue lives under stress ratio of 0.5

圖4 在應力比為0.5條件下不同疲勞壽命光滑試樣的疲勞斷口裂紋源與擴展區SEM形貌Fig.4 SEM morphology of fatigue fracture crack source and extension zone of smooth specimens with different fatigue lives under stress ratio of 0.5: (a, c, e) at low magnification and (b, d, f) at high magnification

由圖5和圖6可以看出:在應力比為-1條件下,光滑試樣疲勞斷口中相對平坦的疲勞裂紋擴展區面積很大,占總面積的4/5以上,表面因反復摩擦而光亮,但斷面起伏仍相對較大,塑性變形明顯,擴展棱線粗大清晰,瞬斷區呈月牙形,表面也較光亮。隨著疲勞壽命的延長,疲勞裂紋源由多源變為單源,位于次表面或表面,疲勞裂紋擴展區由脈絡清晰的菜葉狀向大量山脊狀棱線和細小羽毛狀棱線轉變。104周次疲勞壽命下的疲勞裂紋擴展區可見斷續的疲勞條帶,在裂紋擴展后期出現二次裂紋,疲勞條帶粗大;瞬斷區為短月牙狀,位于疲勞裂紋源相對的一側;105,106周次疲勞壽命下疲勞條帶變得連續,斷面磨損加劇,瞬斷區形態變化不大。在應力比為-1條件下,各疲勞斷口均存在明顯的平坦疲勞區,其大小變化不大,表面也均可見擠壓光亮現象。

圖5 在應力比為-1條件下不同疲勞壽命光滑試樣的疲勞斷口宏觀形貌Fig.5 Macromorphology of fatigue fracture of smooth specimens with different fatigue lives under stress ratio of -1

圖6 在應力比為-1條件下不同疲勞壽命光滑試樣的疲勞斷口裂紋源與擴展區SEM形貌Fig.6 SEM morphology of fatigue fracture crack source and extension zone of smooth specimens with different fatigue lives under stress ratio of -1: (a, c, e) at low magnification and (b, d, f) at high magnification

在應力比為-1條件下,疲勞裂紋基本都在試樣表面萌生,裂紋的擴展均沿特定晶體學平面,因此裂紋擴展區平坦光滑;隨著疲勞壽命的降低,同時開動或者有相近概率開裂的位置增多,裂紋源由單源變為多源;疲勞裂紋穿過片層或沿著片層擴展至晶界α相處沿晶擴展,瞬斷區的塑性變形加劇,出現大量滑移帶、孿生和剪切唇。與應力比為-1時相比,應力比為0.5的光滑試樣疲勞斷口在105周次疲勞壽命時才開始出現平坦疲勞裂紋擴展區,同時疲勞裂紋在次表面、內部萌生。具有密排六方結構的α相在拉-壓載荷下更容易發生滑移,因此相比于應力比-1條件下,在應力比為0.5狀態下的滑移相對更難開動,導致高應力下的斷口無明顯平坦疲勞區,微觀上呈近滑移斷裂與滑移-微孔斷裂特征,如漣波、韌窩等形貌。應力比為-1時試驗合金疲勞斷口中出現了更多的疲勞裂紋及裂紋分叉現象。

2.2 缺口試樣的疲勞斷口典型特征

由圖7和圖8可以看出:在應力比為0.5條件下缺口試樣的低倍疲勞斷口平坦,棱線十分粗大,疲勞裂紋多起源于缺口根部,為多源,源區邊緣曲折;疲勞裂紋源以大平面與大羽毛花樣為主,表面可見疲勞條帶,裂紋擴展區不同階段的疲勞條帶形貌不同,擴展初期細密,中后期粗大,可見二次裂紋,瞬斷區為韌窩特征。104周次疲勞壽命下的斷口瞬斷區偏向一側,并被疲勞裂紋擴展區環繞;105,106周次疲勞壽命下的瞬斷區則位于斷口邊緣,呈紡錘形,與光滑試樣的月牙形明顯不同。

圖7 在應力比為0.5條件下不同疲勞壽命缺口試樣的疲勞斷口宏觀形貌Fig.7 Macromorphology of fatigue fracture of notched specimens with different fatigue lives under stress ratio of 0.5

圖8 在應力比為0.5條件下不同疲勞壽命缺口試樣的疲勞斷口裂紋源與擴展區SEM形貌Fig.8 SEM morphology of fatigue fracture crack source and extension zone of notched specimens with different fatigue lives under stress ratio of 0.5: (a, c, e) at low magnification and (b, d, f) at high magnification

由圖9和圖10可以看出,在應力比為-1條件下缺口試樣的疲勞斷口整體較光亮,大部分斷面較為平整,為疲勞裂紋擴展區,瞬斷區位于斷口一側,疲勞裂紋擴展區周邊均可見大小相近的疲勞裂紋擴展平面。疲勞裂紋起源于缺口根部,為多源萌生,疲勞裂紋源區粗糙,由大量臺階和棱線組成。疲勞裂紋擴展初期斷面呈粗大的羽毛狀形貌,低倍有類解理特征,可見略呈脆性的疲勞條帶,條帶走向平直,且存在較多二次裂紋;中后期斷面棱線混亂,塑性撕裂特征增多,疲勞條帶清晰,但方向雜亂。104周次疲勞壽命時的瞬斷區被疲勞裂紋擴展區環繞,105,106周次疲勞壽命下瞬斷區則位于斷口一側邊緣,隨著疲勞壽命的延長,瞬斷區面積減小。

圖9 在應力比為-1條件下不同疲勞壽命缺口試樣的疲勞斷口宏觀形貌Fig.9 Macromorphology of fatigue fracture of notched specimens with different fatigue lives under stress ratio of -1

圖10 在應力比為-1條件下不同疲勞壽命缺口試樣的疲勞斷口裂紋源與擴展區SEM形貌Fig.10 SEM morphology of fatigue fracture crack source and extension zone of notched specimens with different fatigue lives under stress ratio of -1: (a, c, e) at low magnification and (b, d, f) at high magnification

在應力比為-1條件下缺口試樣的疲勞斷口表面均因拉-壓載荷的作用而發生微觀接觸,導致整體斷面發亮;疲勞裂紋均主要由缺口一側向另一側擴展,幾乎整個缺口均為裂紋源,瞬斷區呈紡錘形,說明缺口試樣的應力集中效果非常明顯;瞬斷區面積均較小,并且隨著疲勞壽命的延長,瞬斷區由斷口內部移向缺口邊緣。與應力比為-1條件下相比,應力比為0.5條件下缺口試樣的斷口疲勞裂紋擴展區更為光滑平坦,瞬斷區更為典型,塑性斷裂特征更明顯,且疲勞裂紋擴展區與瞬斷區的界限較為分明;隨著疲勞壽命的延長,瞬斷區也有從內部向邊緣移動的特點,且其形狀由橢圓向紡錘形變化。在疲勞壽命相近時,應力比為0.5的最大試驗應力接近應力比為-1的1倍,這與在拉-壓載荷作用下鈦合金更容易發生滑移有關。與光滑試樣相比,缺口試樣的疲勞裂紋在更多的部位同時或先后萌生,局部應力的提高使得裂紋能夠穿越更多的片層結構和片層邊界,擴展路徑更為平直。

3 結 論

(1) TC4-DT鈦合金光滑試樣疲勞斷口表面粗糙,宏觀塑性變形明顯,類解理特征不明顯,疲勞條帶清晰;疲勞裂紋源主要為單源,瞬斷區多呈月牙形,均位于斷口一側邊緣。在應力比為0.5下104周次疲勞壽命的斷口中無明顯平坦疲勞裂紋擴展區,而相近壽命的應力比為-1的斷口中可見平坦疲勞裂紋擴展區;應力比為0.5的疲勞裂紋主要在試樣次表面、內部萌生,而應力比為-1的疲勞裂紋基本在試樣表面萌生。

(2) 缺口試樣的疲勞斷口整體平坦,可見類解理特征,疲勞條帶清晰;疲勞裂紋在缺口根部萌生,為多源萌生,隨著疲勞壽命的延長,瞬斷區由內部移向缺口邊緣。應力比為-1下的瞬斷區呈紡錘形,而在應力比為0.5下隨著疲勞壽命的延長,瞬斷區形狀由橢圓向紡錘形變化;與應力比為-1下相比,應力比為0.5下缺口試樣的斷口疲勞裂紋擴展區更為光滑平坦,瞬斷區塑性斷裂特征更明顯。