两种组织钛合金薄板弯曲疲劳性能的研究

杜 勤 张 渠 信明宇

(国营第六一八厂，北京 100072)

两种组织钛合金薄板弯曲疲劳性能的研究

杜 勤 张 渠 信明宇

(国营第六一八厂，北京 100072)

以具有(α+β)等轴组织和α/β粗片层组织的TC11钛合金为研究对象，研究了TC11合金薄板样品在恒总应变幅控制下的弯曲疲劳性能及其损伤行为，通过对疲劳开裂路径和断裂的观察与表征，探讨了疲劳损伤与组织结构间的关系。研究发现，恒总应变幅控制下的等轴组织TC11钛合金薄板的弯曲疲劳性能明显高于粗片层组织合金;等轴组织合金的疲劳裂纹沿α相中的滑移带萌生并扩展，片层组织样品疲劳裂纹沿着α相或与片层垂直的方向扩展。

TC11钛合金 弯曲疲劳性能 疲劳开裂

钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。随着各国军事工业的发展，钛的应用领域正在被不断拓宽。至今，钛合金已在航空航天、核能、舰船、兵器等诸多领域获得越来越多的应用，成为重要的战略金属材料。钛合金应用水平已成为衡量一个国家武器装备先进程度，反映一个国家的军事水平和军事实力的重要指标。

航空发动机结构设计由最初的静强度设计、安全寿命设计发展到损伤容限设计和可靠性设计，设计方法的发展更多地应用到了材料的断裂韧性和疲劳裂纹的扩展性能。因此深入研究TC11(Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si)合金疲劳性能、损伤行为及组织结构的影响对于合金的损伤容限设计具有十分重要的意义。

在过去的几十年里，人们关于钛合金的疲劳性能开展了大量的研究。对于光滑Ti合金试样在对称循环高频应力作用下，球状组织比片状组织有更高的疲劳强度，同时，组织越细疲劳性能越好。在4种典型组织中，疲劳性能由好到差的顺序依次为等轴组织、混合组织、网篮组织、魏氏组织。尽管这些研究揭示了显微组织对钛合金疲劳性能的影响，但仍缺乏深入细致的研究工作。为此，笔者选取了具有α/β粗片层组织的TC11钛合金薄板作为研究对象，对钛合金的室温弯曲疲劳性能进行了研究，探究TC11钛合金组织结构对弯曲疲劳性能的影响规律，进一步澄清其疲劳损伤机理。

1 实验方法

1.1 试验材料

本实验的原始材料为具有(α+β)的两相等轴组织TC11钛合金织钛合金，TC11合金的成分见表1。

表1 实验用样品的化学成分

为了获得片层组织，对TC11合金进行热处理，将合金加热到1040℃、保温30min后随炉冷却，获得α/β片层组织。

1.2 实验方法

疲劳实验采用悬臂梁弯曲疲劳加载的方式，疲劳样品为悬臂梁试样。用线切割切取厚度约为0.5 mm厚的悬臂梁薄板样品，然后依次用400、800、1200、2000号砂纸减薄至厚度为60μm，最后用抛光液(高氯酸和冰乙酸)在电压为20V下电解抛光，随后用大量的蒸馏水冲洗，再用酒精冲洗，并用电吹风吹干。

悬臂梁弯曲疲劳实验在自制的电磁力疲劳实验系统上进行，实验系统和实验原理已在文献［6］中详细描述。在疲劳实验过程中，数据采集系统实时采集样品的电阻随疲劳时间(周次)的变化。当悬臂梁样品发生断裂时，测得的悬臂梁电阻将趋近无穷大，由此可以确定在给定恒总应变幅作用下的TC11合金微悬臂梁样品的疲劳寿命;同时要进行TC11钛合金的室温拉伸试验，求出相应的抗拉强度，屈服强度以及均匀延伸率，最后利用扫描电子显微镜观察以及激光共聚焦显微镜对样品观察与表征。

2 结果与讨论

2.1 弯曲疲劳性能

图1为具有(α+β)等轴组织和α/β粗片层组织的TC11钛合金的弯曲疲劳寿命与外加应变幅间关系图。由图1可以看出，等轴组织的TC11钛合金的疲劳性能明显优于片层组织合金。在低周疲劳区，两者的弯曲疲劳性能差别很大;在高周低应变幅区，两者差别相对减小，但是仍然可以看出等轴组织的疲劳极限高于片层组织的疲劳极限。

图1 种组织结构TC11钛合金薄板的弯曲疲劳寿命与外加应变之间的关系

2.2 疲劳开裂路径

图2为两种组织TC11合金疲劳断裂行为的扫描电镜观察照片。

图2 两种组织TC11钛合金薄板的弯曲疲劳开裂行为的扫描电镜观察照片

从图2中可以看出，疲劳断裂路径与加载轴(竖直方向)基本垂直。而进一步高倍观察表明，疲劳裂纹扩展路径较曲折，如图2(a)所示。一部分裂纹沿等轴组织的α/β界面开裂，如图2(b)中箭头所指，还有一部分裂纹较直，沿一定的平面扩展。详细观察发现，疲劳裂纹在α相中沿滑移面萌生。裂纹萌生后沿滑移面扩展，当遇到α相时局部沿α/β界面扩展。

图2(c)和(d)为片层组织TC11合金疲劳断裂行为的扫描电镜观察照片。由图2(c)的低倍观察可以看出，疲劳断裂路径与加载轴(竖直方向)基本垂直。而进一步高倍观察表明，疲劳裂纹扩展路径也较曲折，如图2(d)所示。裂纹通常沿着α/β界面或与α/β界面垂直的方向交替扩展，如图2(d)中箭头所指。对裂纹扩展进行了进一步观察，裂纹在一个α集束内沿着垂直于集束片层的方向扩展，有时沿平行于集束方向扩展并很快垂直于集束方向扩展。当裂纹扩展集束边界时，改变了扩展方向，沿着与α集束方向成一定角度扩展。

2.3 疲劳断口

由于样品的厚度仅为60μm，因此这些沿滑移面的晶体学裂纹可以贯穿整个样品，导致断口出现晶体学平面。图3为(α+β)和α/β两种组织合金样品的疲劳断口观察照片。

由图3(a)可以看出，合金的断口中出现了若干小平面特征。小平面具有不同的取向方向，观察图2(a)和图2(b)，可以认为这些小平面为沿α相中滑移面开裂的晶体学面。片层组织合金薄箔样品的疲劳断口的扫描电镜观察表明，断口出现大的台阶，两个台阶从样品的两个表面向样品的中部会齐，在近中部形成一个“脊”。高倍观察表明，这些台阶由若干小的台阶组成，这主要是由于裂纹沿着或与α片层成一定角度扩展而所致，如图3(b)所示。

图3 两种组织TC11钛合金薄板的弯曲疲劳断口的扫描电镜观察照片

综上所述，等轴组织TC11钛合金的疲劳性能明显要高于片层组织合金的疲劳性能。根据对等轴组织和片层组织TC11钛合金的微观组织的观察和对比可知，片层组织样品的晶粒明显大于等轴组织样品的晶粒，细化晶粒将明显提高钛合金的强度、塑性和疲劳性能。由于本研究采取的是微尺度样品，从块体多晶TC11钛合金中制备仅在厚度方向含有单一集束片层取向的疲劳样品，对其进行疲劳性能及疲劳损伤行为的研究，这就最大限度地减小了块体多晶样品中存在各种晶体取向的晶粒以及各种α集束片层取向的影响。由样品的开裂行为和断口观察可以看出，等轴组织合金的疲劳裂纹主要从α相中的滑移带中萌生，然后沿滑移带扩展，当遇到α/β界面时，沿界面扩展，并进一步沿另一个α相中的滑移带扩展;对于片层组织合金，其疲劳裂纹多数沿着与片层垂直或平行的方向扩展。这些组织结构对TC11合金的裂纹萌生和扩展行为的影响导致了其疲劳性能上的差异。

3 结论

(1)恒总应变幅控制下的等轴组织TC11钛合金薄板的弯曲疲劳性能明显高于粗片层组织合金的疲劳性能。

(2)等轴组织合金的疲劳裂纹沿α相中的滑移带萌生并扩展，片层组织样品疲劳裂纹沿着α相或与片层垂直的方向扩展。由于组织结构的不同导致了两种组织合金疲劳裂纹扩展抗力的不同。

［1］鲍丽索娃·E A.钛合金金相学［M］.北京：国防工业出版社，1986(6)：57-59.

［2］Lana Lineberger.Titanium aerospace alloy［J］.Advanced Materials and progress，1998(5)：45-47.

［3］孟亮，张宝昌，何明，等.双重退火与变形水冷工艺对TC11钛合金组织和性能的影响［J］.机械工程材料，1989，13(5)：38-40.

［4］孟亮，张宝昌，萧长缨，等.拉伸塑性对TC1150℃循环应变疲劳的影响［J］.航空学报，1991，41(2)：160-165.

［5］Yoder GR，Cooley L A，Crooker TW.Quantitativeanalysisofmicro structural effects of fatigue crack growth in widmanstatten Ti-6Al-4V［J］.Engineering Fracture Mechanices，1979，11(4)：805-816.

［6］Dai C Y，Zhang G P.Tensile and fatigue properties of freestanding Cu foils［J］.JMater Sci＆ Tech，2009，25：721-726.

RESEARCH ON BENDING FATIGUE PERFORMANCE OF TWO KINDSOF ORGANIZATION TC11 TITANIUM ALLOY THIN STEEL PLATE

Du qin ，Zhang Qu，Xin Mingyu
(State Owned Plant No.618，Beijing 100072，China)

A(α +β)equiaxed organizations andα/βcoarse lamellar TC11 titanium alloy were selected for researching the bending fatigue and the damage behaviorthe of the TC11 alloy sheet sample at a constant total strain amplitude-control.Relationship between fatigue damage and the structure and organization was studied.Itwas found that under constant total strain amplitude control bending fatigue performance of equiaxed organization TC11 titanium alloy sheetwas significantly higher than that of the coarse lamellar alloy.Fatigue crack of equiaxed alloys organization initiated and expanded along theα phase and the fatigue crack of lamellar samples expanded along the lamellarα phase or vertical direction.

TC11 titanium alloy，bending fatigue，fatigue cracking

2011-10-10