TC4-DT钛合金高周疲劳行为研究

于兰兰，毛小南，李 辉，赵永庆，张鹏省，侯智敏

(1.西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)

(2.西北工业大学，陕西 西安 710072)

(3.西部钛业有限责任公司，陕西 西安 710201)

1 前言

Ti-6Al-4V ELI合金是在Ti-6Al-4V合金基础上开发的低间隙钛合金。各国都形成了自己的牌号，如美国的AMS4907D、AMS4930、ASTMF468，英国的IMI318 ELI，法国的TA6V ELI以及中国新研制的TC4-DT合金等。与普通Ti-6Al-4V合金相比，此类合金的主要特征为:合金元素Al、V允许波动的范围较窄，间隙元素C、O、N和杂质元素Fe的最高允许含量显著降低，这虽会降低一些强度，但可显著提高韧性。该类合金具有较好的塑性、韧性和良好的焊接性能及较长的使用寿命，已广泛应用于低温工程、医疗、舰船及飞行器制造等重要领域［1－2］。

在远低于金属材料抗拉强度的交变应力作用下，经过一定周次之后，材料会发生疲劳破坏。疲劳破坏具有突然性，无论是脆性材料还是韧性材料，在破坏前夕都不会出现明显的宏观塑性变形，不易为人们察觉到，危险性较大。各种金属机件中有50%～90%以上的破坏属于疲劳破坏，疲劳现象是一个极为重要的研究领域［3］。对于普通Ti-6Al-4V合金疲劳性能及疲劳断裂行为的报道较多［4－6］，而对 Ti-6Al-4V ELI合金的报道均是针对疲劳裂纹扩展速率展开的［7－9］。本研究探讨了TC4-DT钛合金高周疲劳特性，旨在为预防疲劳破坏提供参考。

2 实验

实验材料采用西北有色金属研究院生产的厚度为25 mm的TC4-DT钛合金板材，化学成分见表1。金相法测得相变点为970～980℃。图1为TC4-DT钛合金板材的金相照片。加工态TC4-DT钛合金板材组织为典型的等轴组织，初生α相含量约为50%～60%，其他为转变β组织。

表1 TC4-DT钛合金的化学成分(w/%)Table 1 Chemical composition of TC4-DT titanium alloy

图1 TC4-DT钛合金板材的金相照片(加工态)Fig.1 Metallograph of TC4-DT titanium alloy plate(processing)

试样如图2所示，取样方向为纵向，在箱式电阻炉中进行(控制精度为5℃)950℃ ×1 h/AC+550℃ ×8 h/AC热处理，之后依照GB 3075—82进行高周疲劳性能测试。测试在正弦波高频疲劳实验机JXG－100上完成，频率=137～139 Hz，应力比R=－1。采用GMS6460扫描电镜对疲劳断口形貌进行观察。

图2 高周疲劳试样Fig.2 Specimen for high circle fatigue test

3 结果与讨论

3.1 微观组织与室温拉伸性能

图3为TC4-DT钛合金试样经过950℃×1 h/AC+550℃ ×8 h/AC热处理后的金相照片。由图3可以看出，经热处理后TC4-DT钛合金组织为球状或条状相+转变组织构成的双态组织，初生相占10%～20%。表2为TC4-DT钛合金热处理后的室温拉伸性能。由表2可知，TC4-DT钛合金热处理后抗拉强度为945 MPa，延伸率为14%。

图3 TC4-DT钛合金热处理后的金相照片Fig.3 Metallograph of TC4-DT titanium alloy after heat treatment

表2 TC4-DT钛合金热处理后的室温拉伸性能Table 2 Tensile properties of TC4-DT titanium alloy at room temperature

3.2 S-N曲线

工程上通常是根据试验获得的疲劳曲线(S-N曲线)，即通过建立应力振幅σα(或以S表示)与相应断裂周次Nf之间的实测关系曲线来表征疲劳性能，TC4-DT钛合金板材的S－N曲线(应力比R=－1)如图4所示。低碳钢以及低合金钢S-N曲线分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三段。在低周次(低于104次)时曲线斜率不大，它能承受的循环应力只比单向拉伸强度低一些，此时的疲劳行为近似于单向拉伸。第Ⅱ阶段斜率较大，呈现疲劳过程的特点。第Ⅲ阶段是水平线，相应的应力振幅为疲劳极限。材料在疲劳极限以下的应力服役不再发生疲劳破坏。而TC4-DT钛合金的S-N曲线没有出现呈水平线的疲劳极限。为了比较，采用107次不被破坏的最大应力作为材料的条件疲劳极限，其值为550 MPa，置信度为95%。

在S-N曲线的第Ⅱ阶段，S和N的关系近似地符合Basqin经验方程:S=σ'f(2Nf)b，σ'f为疲劳强度系数，这里σ'f≌σf，σf为单向拉伸的断裂真应力，b为疲劳强度指数［10］。TC4-DT钛合金的疲劳强度指数较高，为－0.05，S对N的敏感性较差，具有相对较高的条件疲劳强度。

图4 TC4-DT钛合金的S-N曲线Fig.4 The S-N curve of TC4-DT titanium alloy plate

3.3 断口形貌

图5为TC4-DT钛合金疲劳断口的宏观形貌。从图中可以看出，断口呈现两个区域，即较光滑的疲劳裂纹扩展区及粗糙的最后断裂区，疲劳裂纹源均出现在试样的表面。试样表面应力集中，交变应力促使裂纹自表面生成，并逐步向内扩张，造成断裂形成疲劳裂纹扩展区，当扩展区缓慢长大，最终引起承载部分的突然断裂时，形成最后的断裂区。疲劳断口的疲劳裂纹扩展区较大说明材料具有较高的断裂韧度。

图5 疲劳断口的宏观形貌及裂纹源Fig.5 Macrographs and crack initiation of fatigue fractography

图6为疲劳断口的微观形貌。在疲劳裂纹扩展区主要是以解理断裂为主，金属沿着某个确定的结晶学平面，在没有或很少滑移出现的情况下分离。六方晶系的钛沿表面能比较低的结晶学平面基面{0001}裂开。由于多晶体中各个晶粒的取向不同等种种原因，都妨碍着裂纹沿既定的平面顺利发展，导致裂纹的分叉、转折或停顿形成许多解理小刻面，解理面上可见疲劳条带及二次裂纹。断裂区断口表面由许多互相连接的凹坑所组成，主要表现为韧窝断裂。应力促使材料内部产生显微孔洞，孔洞随着塑性变形的发展逐渐长大，孔洞之间的韧性被拉断，是微孔聚合型断裂。

图6 疲劳断口的微观形貌Fig.6 Micrographs of fatigue fractography

4 结论

(1)TC4-DT钛合金的S-N曲线(应力比R=－1)没有出现呈水平线的疲劳极限，107次不被破坏的条件疲劳极限为550 MPa，置信度为95%。

(2)疲劳断口疲劳裂纹源均出现在试样的表面，疲劳裂纹扩展区较大，说明TC4-DT钛合金具有较高的断裂韧度。

(3)疲劳断口的疲劳裂纹扩展区由许多解理小刻面组成，解理面上可见疲劳条带及二次裂纹，以解理断裂为主;断裂区断口表面由许多互相连接的凹坑所组成，主要表现为韧窝断裂。

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