TC4ELI钛合金低周疲劳性能研究

王 雷，王 琨，李艳青，黄进浩，万正权

(中国船舶科学研究中心 深海载人装备国家重点实验室，江苏 无锡 214082)

0 引 言

钛合金不仅比强度高，而且具备良好的耐腐蚀性、低温性能和焊接性能等适用于深海环境的特性[1-2]，在载人潜水器、深海油气工作站、深水潜艇等深海装备领域得到了广泛应用。与传统的TC4钛合金相比，超低间隙元素TC4ELI钛合金通过降低间隙元素O、N、C以及置换元素Fe的含量，提升了合金材料的断裂韧度、抗蠕变性和热稳定性，使得TC4ELI钛合金具备更好的塑性、韧性和焊接性能[3-5]。

TC4ELI钛合金是深海载人装备的重要材料，保障着深海耐压结构的安全。材料强度的提升往往伴随着塑性和断裂韧性的下降[6]，深海耐压结构的设计和校核需要考虑由于低周疲劳引起的结构失效。与应力-寿命评估方法相比，应变-寿命方法能够更加准确地描述结构周期性过载引起的局部塑性变形[7]。

循环载荷作用下的材料疲劳性能是钛合金耐压结构寿命评估和安全性校核的重要依据。本研究在不同应变幅值下开展钛合金材料的低周疲劳试验研究，对TC4ELI钛合金在低周疲劳下的循环应力-应变特征进行探索，给出循环应力-应变曲线，根据Ramberg-Osgood模型拟合循环应变硬化指数和循环强度系数，基于Coffin-Manson模型拟合应变-寿命特征参数，并利用SEM对试件的断口形貌进行分析，以期为TC4ELI钛合金耐压结构安全性评估提供数据支撑和理论参考。

1 实 验

图1 TC4ELI钛合金低周疲劳试样尺寸示意图Fig.1 Schematic of dimension of TC4ELI titanium alloy specimen for low-cycle fatigue tests

低周疲劳试验后，选取1#、2#、3#钛合金试样进行微观机理分析，其对应的应变幅值分别为0.6%、0.9%、1.2%。3个试样断裂后，在断口附近沿轴向截取金相试样，采用金相显微镜观察显微组织。采用扫描电镜对应变幅值为0.6%、0.9%、1.2%的TC4ELI钛合金低周疲劳试样进行断口观察与分析。

2 结果与分析

2.1 循环应力响应特性

在循环载荷过程中，总应变幅是弹性应变幅和塑性应变幅之和。选取总应变幅为0.6%、0.9% 2种典型幅值做出应力幅随循环周次变化图，如图2所示。从图中可以看出，初始应力幅值最大，此后逐渐降低。应力幅值变化呈现出3个阶段，第1、第3阶段应力幅急剧下降，第2阶段变化平稳。

图2 总应变幅分别为0.6%、0.9%下的应力随循环周次变化曲线Fig.2 Cycle property under the total strain amplitude of 0.6%(a) and 0.9%(b)

循环加载过程中，控制应变为恒定时，材料的应力随循环周次的增加而降低，即TC4ELI钛合金呈现出循环软化的特性。在TC4钛合金的研究中，有学者观测到了同样的循环软化特性[8-9]，但在工业纯钛的研究中未观测到循环软化或硬化的特性[10-11]。

2.2 应力-应变迟滞回线

经过循环加载，选取总应变幅分别为0.6%、0.9%、1.2% 3种典型幅值做出应力-应变迟滞回线族，如图3所示。随着总应变幅增大，应力-应变迟滞回线所围面积逐渐增大，即塑性应变能逐渐增大，而相应的塑性变形也更明显。当总应变幅为0.6%时，迟滞回线近似为线性，宽度接近零，塑性变形极小，几乎可以忽略；当总应变幅为0.9%时，迟滞回线变宽，塑性环面积变大，出现少量塑性特征；当应变幅值为1.2%时，出现较宽的迟滞回线，塑性环面积更大，塑性变形特征明显。随着应变幅值的增加，对比同期循环，应力幅值并未增加。在存在塑性应变的0.9%和1.2%应变幅值下，应力的减少可归因于TC4钛合金材料的循环软化；在0.6%应变幅值下，应力响应稳定，因而未见循环软化。

图3 0.6%、0.9%、1.2%总应变幅下应力-应变迟滞回线Fig.3 Hysteresis loops with the total strain amplitude of 0.6%(a), 0.9%(b) and 1.2%(c)

2.3 循环应力-应变特性

为探索TC4ELI钛合金材料的循环应力-应变关系，选取考虑弹性应变分量的Ramberg-Osgood模型：

(1)

采用塑性分量进行计算，塑性应变幅与应力幅在双对数坐标中呈线性关系:

(2)

(3)

图4 塑性应变幅与应力幅关系拟合曲线Fig.4 Fitting curve of plastic strain and stress amplitude

图5 TC4ELI钛合金的循环应力-应变关系曲线Fig.5 Cycle strain-stress curve of TC4ELI titanium alloy

2.4 应变-疲劳寿命特性

采用Coffin-Manson模型描绘材料的应变-寿命特性。Coffin-Manson模型定义总应变幅和失效反向数的关系如公式(4)：

(4)

利用Origin软件在双对数坐标上对失效反向数和应变幅值进行线性拟合，如图6，得出应变幅与寿命关系如式(5～7)。

弹性应变幅关系式：

lg(Δεe/2)=-1.900 03-0.080 01lg(2Nf)

(5)

塑性应变幅关系式：

lg(Δεp/2)=0.878 81-1.213 17lg(2Nf)

(6)

总应变幅关系式：

Δε/2=0.012 6(2Nf)-0.080+7.565(2Nf)-1.213

(7)

图6 试样的应变幅与疲劳寿命关系Fig.6 The relationship of strain amplitude and fatigue life for specimen

如图6所示，Coffin-Manson的弹性拟合准确的表征了TC4ELI钛合金的弹性特性，而塑性应变-寿命拟合曲线具有较大的斜率，某种程度上是由于高应变幅的循环软化特性导致的。

2.5 断口形貌分析

图7为疲劳试样断裂后的照片。从图7可以看出，3个试样断裂均发生在引伸计标距内，断裂位置有效，且整个断口断裂之前均未发生明显的塑性变形，无明显颈缩现象。

图7 疲劳试样断裂后的照片Fig.7 Photo of fractured fatigue specimens

图8为1#、2#、3#疲劳试样断口处的金相照片。其中，图8c、8f、8i为距离断口1.5 mm处的金相照片。可以看出，3个试样均为穿晶断裂。对比图8b与8c、8e与8f、8h与8i，距离疲劳断口1.5 mm处的组织与疲劳断口处的组织形态没有发生明显变化。由此可见，疲劳载荷作用并没有改变网篮组织的TC4ELI钛合金的组织形态，在低周疲劳过程中均穿过网篮组织晶粒发生断裂。

图8 1#、2#、3#疲劳试样断口处的金相照片Fig.8 Metallographs of fatigue fracture position of specimens:(a)1# specimen;(b)amplified areas of 1#;(d)2# specimen; (e)amplified areas of 2#;(g)3# specimen;(h)amplified areas of 3#;(c,f,i)1.5 mm from the fracture corresponding

图9为低周疲劳试样断口的SEM照片。从图9可以看出，当应变幅值为0.6%时，疲劳断口比较平整，裂纹源出现在表面，未见较大的塑性变形，呈现出典型的脆性断裂特征；当应变幅值为0.9%时，整个断裂断口不再平直，出现多处裂纹源，裂纹扩展区域轮廓清晰，断口表面呈现大量小而浅的韧窝，开始呈现塑性断裂特征；而当应变幅值变为1.2%时，裂纹源主要出现在材料内部，塑性断裂特征更加明显，韧窝大而深，与拉伸断裂断口较为相似。高应变幅下的低周疲劳失效过程由裂纹扩展阶段控制，这也为其它裂纹提供了萌生条件，进而形成一条主裂纹源和其它裂纹源共同扩展并相互影响。

图9 疲劳试样断口的SEM照片Fig.9 SEM micrographs of specimens：(a,b) 1# specimen; (c,d) 2# specimen;(e,f) 3# specimen

3 结 论

(1)TC4ELI钛合金材料在循环加载过程中应力随着循环周次的增加而降低，呈现出循环软化的特性。

(2)根据Ramberg-Osgood模型，拟合得到TC4ELI钛合金的循环应变硬化指数n′=0.077，循环强度系数K′=1 017.255；根据Coffin-Manson模型，拟合得到TC4ELI钛合金的应变-寿命关系为Δε/2=0.012 6(2Nf)-0.080+7.565(2Nf)-1.213。

(3)随着应变幅值增大，裂纹源位置由表面变为材料内部，韧窝变大变深，塑性断裂特征变得更加显著。

本研究给出了TC4ELI钛合金在多种恒定应变幅值下的低周疲劳特性，但实际结构承受的循环载荷更为复杂、规律性更小。因而，需要综合考虑更多的载荷情况(如多轴载荷、变幅值载荷等)以更好的评估TC4ELI结构的疲劳性能。

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