TZ20钛合金的疲劳行为及其机制研究

陈利涛

(冀南钢铁集团有限公司，河北 邯郸 056300)

TZ20钛合金的疲劳行为及其机制研究

陈利涛

(冀南钢铁集团有限公司，河北 邯郸 056300)

金属及合金的疲劳性能和疲劳行为是影响其长期安全服役的一个重要的因素。本文主要研究了锻造态和退火态Ti-20Zr-6.5Al-4V(简称TZ20)的疲劳行为和疲劳机制。XRD结果表明，锻造态和退火态两种状态的TZ20合金均由α相和β相组成。微观组织分析表明，虽然两种状态下该合金都呈现出典型的网篮组织特征，但是其各相含量及其晶粒尺寸有较大的区别。疲劳实验结果表明，锻造态和退火态合金的条件疲劳极限σ0.1(107)分别为623 MPa和 572 MPa。疲劳断口分析表明，锻造试样疲劳断口具有多个疲劳裂纹源，而退火试样的疲劳断口只有一个疲劳裂纹源。

钛合金；疲劳；疲劳断口分析；热处理

钛及钛合金具有良好的理化及力学性能，如低密度、高强度、高比强度、抗腐蚀等,受到航空航天、化工、船舶、医疗等领域的广泛关注。锆元素与钛元素在元素周期表中位置接近，具有非常相似的物理化学性能。因此，关于Zr元素的添加对钛及其合金微观组织及性能的影响的研究受到人们广泛的关注[1-4]。近年，发展了一系列具有超高强度和比强度的Ti-Zr-Al-V系列合金[5,6]。该合金中的代表合金Ti-20Zr-6.5Al-4V[7](以下简写TZ20)和Ti-30Zr-5Al-3V[8]合金的抗拉强度能够超过1600MPa，比强度超过340 MPa/(g/cm3)。良好的力学性能显示出该系列合金具有作为高端结构材料应用的巨大潜力。

对于金属及其合金来说，在设计材料应用时就已经设计了其使用应力一般都要低于其屈服强度的一半。因此，金属零部件的断裂很少是因为服役过程中的使用应力过大而发生的高应力断裂，绝大部分都是发生的低应力脆断的方式失效。其中疲劳断裂是金属零部件一种常见的低应力脆断失效形式。而金属材料的疲劳性能及疲劳行为对金属零部件的疲劳寿命即使用寿命起到至关重要的作用。为了保证金属零部件能够长期安全地服役，金属材料的疲劳性能及疲劳行为越来越受到材料研究人员的关注[9,10]。然而，针对今年发展的Ti-Zr-Al-V系列合金的疲劳性能和疲劳行为的研究还相对较少。但是如上所述，金属材料的疲劳性能和疲劳行为的研究对其长期安全的应用具有很重要的保障意义。因此，对Ti-Zr-Al-V系列合金的疲劳性能的研究将对其实际应用起到重要的促进和推动作用。

本文以TZ20合金为对象，研究了锻造态和退火态Ti-Zr-Al-V系列合金的疲劳性能和疲劳行为及其疲劳机制。本文的研究结果将对该系列合金的实际应用起到促进和推动作用。

1 实验材料和过程

将海绵钛、海绵锆、工业纯铝和纯钒清洗干燥后，锻造成电极材料，然后在真空自耗电弧炉中反复熔炼4遍，以保证材料化学成分的均匀性。熔炼后合金锭的实际成分如表1所示[11]。所得到的铸锭经过开坯，锻造，轧制，热处理，最终去皮切割成直径43mm的棒材。后续所有的试样都是从该棒材上切取。退火处理是在氩气保护氛围的真空管式热处理炉中进行。热处理制度为在750℃保温60min后空冷。相结构采用铜靶的X射线衍射仪测定；采用光学显微镜和扫面电子显微镜观察分析不同状态试样的微观组织和断面分析。拉伸和疲劳试验是在电子万能试验机上进行。试样的形状和尺寸如图1所示。疲劳测试条件为拉拉疲劳方式，频率为30Hz，应力比r为0.1。

表1 TZ20钛合金的实际成分

图1 拉伸和疲劳试样的形状和尺寸

2 实验结果

2.1 锻造态和退火态TZ20合金的微观组织

图2 锻造态和退火态试样的XRD图谱

图2是锻造态和退火态TZ20合金的XRD图谱。从图中可以看出，两种状态的合金均由α相和β相组成。这和以前的结果相似，因为该合金属于正规的两相钛合金范围。虽然两者具有相同的相组成，但是它们之中各相的含量不同。根据XRD相分析原理，在同一XRD图谱中各相相应的峰强度比值与其各自的相含量成正比。通过对比锻造态和退火态两种试样的XRD图谱中两相对应的衍射峰强度的比较可以得出，锻造态试样中β相所对应的衍射峰的强度比值明显要大。这证明锻造态中试样的β相的含量比退火态试样中的想含量高。导致这一结果的主要原因为，合金在锻造后的冷却方式为空冷，此时合金中的相转变不完全[12]。而退火温度低于相变温度的起始温度，因此在后续退火过程中合金中未完全转变的β相继续向α相转变。所以，退火后试样中的β相含量比锻造态试样中的含量低。

锻造态和退火态的试样的微观组织照片如图3所示。结果显示，两种状态试样的微观组织相似，都为典型的网篮组织[13]。但是，比较两种试样的微观组织可以发现两种状态试样的微观组织还是存在区别。首先，锻造态试样中片状α相之间的残余β相的含量明显比退火态试样中的含量多，这和XRD的结果一致。此外，两种试样中α相的晶粒尺寸有所不同。在退火试样中α相的晶粒比锻造态试样中的短且细小，这些短且细小的α相是残余的β相在退火过程中发生继续转变成α相的结果。因为退火的温度比较低，所以在退火过程中得到的α相的晶粒尺寸较为细小[14]。

图3 TZ20合金的微观组织图片(a)锻造试样(b)退火试样

2.2 锻造态和退火态TZ20合金的拉伸性能

图4是两种不同状态TZ20合金的拉伸应力-应变曲线。从应力-应变曲线可以获得合金在不同状态下的力学性能。结果显示，该合金锻造后的屈服强度、抗拉强度、断后延伸率分别为1309 MPa，1429 MPa 和2.4%；退火后试样的屈服强度、抗拉强度、断后延伸率分别为1128 MPa，1251 MPa和9.1%。从结果中可以很容易得到，锻造态试样的强度明显比退火态试样的高，但是塑性也就是断后延伸率远远低于退火试样。锻造态试样具有较高的强度主要是因为合金中相含量的影响。相关资料表明，两相钛合金中的强度与合金中各相的含量相关。而退火试样具有良好的塑性变形能力的主要原因为，短且细小的片层α晶粒[15]。

图4 锻造态和退火态TZ20合金的拉伸应力-应变曲线

2.3 锻造态和退火TZ20合金的疲劳行为和疲劳强度

图5 锻造态和退火态TZ20合金的疲劳S-N曲线

图5是锻造态和退火态TZ20合金的疲劳S-N曲线。根据锻造态试样的S-N曲线，锻造态试样在应力为1000MPa时的疲劳寿命约为3800循环周次。随着应力的降低，疲劳寿命逐渐增加。但是在应力高于800MPa时，随应力的降低，试样的疲劳寿命增加的较缓慢。当应力低于800MPa后，试样的疲劳寿命快速增加，如表2所示。当应力低于600MPa时，试样的疲劳寿命超过107。最终采用升降法得到锻造态试样的条件疲劳极限σ0.1(107)为623MPa。从图5中还可以得到退火态试样的疲劳寿命随应力的变化趋势一致。但是与锻造态试样相比，退火态试样的疲劳寿命随应力降低而增加的比较平稳，在整个应力范围内的寿命增加比较均匀。这就导致，退火态试样在应力大于800MPa时的疲劳寿命增加的比锻造态快。但是当应力低于800MPa时，锻造态试样的疲劳寿命增加的较快。最终确定退火态试样的疲劳极限为572MPa。

表2 锻造试样和退火试样在应力每降低100MPa时的寿命增量

3 讨论

根据锻造态和退火态TZ20合金的疲劳结果可知，锻造态试样的疲劳强度比退火态试样的高。锻造态试样的疲劳极限较高的主要原因与抗拉强度有关。根据资料，金属材料的疲劳极限与抗拉强度呈正相关[16]。锻造态试样的抗拉强度比退火态试样的抗拉强度高，因此具有较高的疲劳极限。另外，从疲劳极限与抗拉强度的比值结果可以得到，锻造态试样的疲劳极限与抗拉强度的比值为0.43，比退火态的比值0.46稍低。这和以前资料的结果约0.45一致。锻造态试样的疲劳极限与抗拉强度的比值越小的原因除了和其抗拉强度较高相关外，还和他们的拉伸行为不同有关。锻造态在屈服以后的塑性变形量较小，而退火试样拉伸过程屈服后经过一段较长的塑性变形才断裂。即，退火试样的塑性远高于锻造试样，如图4所示。根据资料，高强度和低塑性容易导致材料在受力时产生应力集中而导致容易疲劳断裂，降低疲劳极限和强度的比值。图6是两种状态试样疲劳断口的表面形貌。从疲劳断口可以看出，锻造态试样和退火态试样的疲劳裂纹源均在试样表面，锻造态试样具有两个裂纹源，但是退火态试样只有一个裂纹源。这一结果同样表明，具有高强度较低塑性的锻造态试样容易形成裂纹源而发生断裂。S-N曲线表明，两种状态试样的疲劳寿命增量随应力的降低不同。在高应力水平如应力高于800MPa时，锻造试样的疲劳寿命随应力的降低增加的较慢。但是在较低应力水平下，锻造态试样的疲劳寿命随应力的降低增加的非常快。对于退火试样来说，在整个应力水平范围，其疲劳寿命的增加比较稳定。资料表明，金属材料在较高应力水平下容易发生低周疲劳，而在较低应力水平下容易发生高周疲劳。高周疲劳主要塑性决定疲劳寿命，而低周疲劳主要由强度决定疲劳寿命。根据上述拉伸结果可知，锻造试样具有较高的强度和较低的塑性。因此，锻造试样的疲劳寿命在较高的应力水平时应塑性较低而具有较慢的寿命增量。而在较低的应力水平时，因其强度高对寿命的影响较大，而具有较快的疲劳寿命增量。

图6 疲劳断口表面形貌(a)锻造态试样(b)退火态试样

4 结论

1) 锻造态和退火态TZ20钛合金的疲劳极限分别为623MPa和572MPa；

2) 锻造态试样的疲劳寿命随应力降低在高应力水平时增加较慢，在低应力水平时增加较快。退火态试样的疲劳寿命随应力的降低稳定的增加；

3) 锻造态试样具有较高的强度和较低的塑性在疲劳时容易产生应力集中而形成疲劳裂纹源和断裂。

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Fatigue behavior and mechanism of the TZ20 titanium alloy after various treatments

CHEN Li-tao

(JI'NANSTEELGROUPCO.,LTD,HandanHebei056300,China)

Fatigue behavior and properties of metal and alloys is a key factor for ensuring long time and safely applications. The aim of this work is to investigate the fatigue behavior and mechanism of the Ti-20Zr-6.5Al-4V (shorted as TZ20) alloy after forging and annealing treatments. After both forging and annealing treatments, the TZ20 alloy has typical basketweave microstructure which has the characteristic of plate α grains and retained β phase. Although the TZ20 alloy with both states has similar structure, their fatigue behavior and corresponding properties showed obviously difference. The conditional fatigue limit σ0.1(107) is 623 and 572 MPa for forged and annealed specimens, respectively. Fatigue fractured surface analysis also showed different fracture mechanism. Only one crack initiated on surface for annealed specimen but two initiations for forged one were observed in the fatigue fracture surface.

Titanium alloy; Fatigue; Fracture surface analysis; Heat treatment

2017-02-28

河北省自然科学基金资助项目(BJ2014017)

陈利涛(1980-)，男，河北邯郸人，高级工程师，从事金属材料工艺、组织、性能及其相关性方面的研究.

1001-9383(2017)01-0067-06

TG146.2

A