加载频率对TC4钛合金疲劳强度的影响实验

对TC4钛合金进行了超声疲劳试验和旋转弯曲疲劳实验，在108周次内没有发现工程上的疲劳极限，试样在应力循环超过107周次后依然会失效。从整体上看，在相同的应力条件下，低频条件下试样疲劳寿命高于高频疲劳试样寿命。在超声加载频率下，试样破坏方式主要表现为脆性破坏；在低频条件下，试样从高应力幅低寿命区域向低应力幅高寿命区域发展的过程中，破坏方式逐渐由脆性破坏向塑性破坏方式转变。 

引言 

钛合金具有密度小，强度高等优异性能，在航空中的应用极为广泛，尤其是用于制造航空发动机风扇和压气机的轮盘与叶片等构件。当钛合金用于飞机发动机涡轮叶片时，这些部件在服役期间除了要承受一定的温度载荷外，还要达到承受超过107周次应力循环的要求。美国空军已经在“发动机结构完整性大纲 ENSIP（Engine Structural Integrity Pro-gram）”中规定“发动机部件的高周疲劳寿命应达到109 循环周次”[1]，目前工程上根据107所对应的疲劳极限来进行设计越来越凸显出不足。国内外有许多学者对钛合金的疲劳性能进行过研究[2-6]，包括加载频率[7]对疲劳寿命的影响方面做了相关的研究。关于频率对疲劳寿命是否有影响，不同的学者根据自己的研究结果，所持的观点也不同。Miller[8]等认为，温度的影响将使实验结果不能与常温下的结果做比较。Bathias[9]则认为在107周次以上的疲劳试验中，由于塑性应变非常小，所引起的温度变化可以忽略不计。Liaw P K[10]等的研究表明，压力容器钢的高频加载疲劳强度低于低频加载的情况。何玉怀等[11]的研究结果显示加载频率的改变对直接时效GH4169高温合金疲劳裂纹扩展性能基本没有影响。因此对于加载频率对疲劳寿命是否有影响，还需要做进一步的研究。本实验对TC4钛合金选取了两种不同加载频率的试验方法，做了超声疲劳实验和旋转弯曲疲劳实验，对结果做了对比分析，得到了相关的结论。 

1、试样的制备与试验方法 

本试验采用的是650℃退火1.5h的TC4钛合金，抗拉强度为959MPa，屈服强度为941MPa。化学成分（wt%）为：6.0Al，4.0V，0.15Fe，0.10C，0.01N，0.015H，0.13O，余Ti。 

根据谐振动力学微分方程[12]设计试样如下，超声疲劳试样中间部分用圆弧代替。超声疲劳实验采用岛津USF-2000型超声疲劳试验机在室温下进行，同时实验采用压缩空气降温法，防止超声实验时试样温度升温过高[13，14]，同时设置间歇比为1：10（试验机工作110毫秒，停歇1100毫秒）。旋转弯曲疲劳实验采用四联式旋转弯曲疲劳试验机，试样如图2所示，实验在常温下进行。试验应力比均为R=-1。试验结束后，对试样断面进行超声波清洗处理，最后在扫描电镜下进行断口观察。 

2.实验结果与讨论 

2.1 S-N曲线 

从图3超声疲劳实验和旋转弯曲疲劳实验的S-N曲线对比来看，两种实验条件下，在超过108周次后，试样依然发生失效，在108应力循环周次内没有出现工程上的疲劳极限。同时从整体上看，低频试样的疲劳寿命整体上要高于高频疲劳试样，类似的结果也在Liaw P K[10]的研究中出现过。 

本实验的结果显示，两种加载频率下，试样的疲劳寿命有一定的区别。加载频率对试样的寿命是如何影响的。一般来说频率对疲劳寿命的影响主要通过两个方面来体现，一是高的加载频率实验时试样可能会产生升温，当温度达到一定程度后会对材料的属性产生影响，进而影响材料的疲劳寿命；二是高的频率会对材料的应变产生影响，采用超声疲劳试验方法，频率达到20kHz，如此高的频率下，有可能材料的应变速率跟不上频率的变化，从而影响材料的疲劳寿命。本实验的结果显示频率对材料的疲劳寿命产生了一定的影响，但是具体是如何影响的，后文将进一步分析。 

2.2 断口形貌分析 

图4为超声疲劳试验（a，b）8.5×104周次和旋转弯曲疲劳实验（c，d）5.1×104周次的试样断口形貌，两种试样的断口裂纹源附近断口都很平整，在裂纹源附近区域有很多短小不连续的河流状花纹，这是典型的解理断裂特征，因此两种试样的破坏方式都表现为脆性破坏。断口相对较平整，说明裂纹在扩展时速度非常快。 

图5所示为超声疲劳试验（a，b）2.03×105周次和旋转弯曲疲劳实验（c，d）2.72×106周次的试样断口形貌图，从图5（a）可以看出，超声疲劳试样断口相对平整，对断口上的裂纹扩展路径上的部分区域放大，可以观察到有许多断断续续的河流状花纹，说明超声疲劳试样高周阶段也是呈现解理断裂，试样的破坏方式表现为脆性破坏。 

对（c）2.72×106周次的旋转弯曲疲劳试样断口形貌进行观察可以看到，在裂纹源附近区域，可以看到大量的韧窝，说明试样破坏过程中发生了大量的塑性变形。对裂纹源扩展路径上的区域放大后观察到，裂纹扩展路径上靠近表面的部分相对平整，说明裂纹扩展初期，试样的破坏方式存在有解理破坏，但是随着裂纹向内扩展，可以看到在扩展路径上有很多的韧窝，这就说明裂纹在扩展过程开始向塑性破坏转变，因此旋转弯曲疲?谑匝?的破坏方式与超声疲劳试样在高周阶段显现出不同，试样的破坏方式由脆性破坏向塑性破坏转变。 

两种超高周试样的断口形貌进行观察，发现两种试样的断口呈现的特征是有区别的。对于1.72×108周次超声疲劳试样，断口上有大量的短小不连续的河流状花样，同时对裂纹源附近的区域放大可以看到，该区域断口上出现有大量冰糖状的晶粒，这是由于裂纹沿着晶界扩展造成的，所以会出现这样的形貌，其破坏方式主要表现为解理破坏。而对于1.96×108周次旋转弯曲疲劳试样来说，在裂纹源处有大量的韧窝出现，如图（a）所示，说明在裂纹萌生扩展的过程中发生了大量的塑性变形，试样是以塑性破坏主导的，这与超声疲劳试验的脆性破坏方式是有区别的。 

通过对以上不同加载频率下的试样断口对比可以发现，在低周阶段不同频率下没有明显区别，都是以脆性破坏主导的破坏方式。 

在高周阶段，两者的断口开始显示出不同，超声疲劳试样的失效形式仍然是以脆性破?闹鞯迹?但是旋转弯曲疲劳试验的破坏形式则表现为开始以脆性破坏为主，进而转变为塑性破坏为主，是一个由脆性破坏向塑性破坏转变的过程。 

在超高周阶段，两种加载频率下试样的失效方式则有很大的区别，超声疲劳试样主要是解理断裂，破坏方式表现为脆性破坏。而对于旋转弯曲疲劳试样，从大量韧窝就可以看出，整个破坏过程中是以塑性破坏主导的，试样破坏过程中发生了大量的塑性变形，试样失效形式表现为塑性破坏。 

因此，综上所述，超声疲劳试验，试样的破坏方式主要表现为脆性破坏，而旋转弯曲疲劳试验，试样从高应力幅低寿命区域向低应力幅高寿命区域发展的过程中，破坏方式逐渐由脆性破坏向塑性破坏方式转变。 

3、结论 

1）在不同的加载频率下，试样在应力循环超过107周次仍然会发生断裂。 

2）不同的加载频率下试样的疲劳寿命有所差别，从整体上看，在相同应力条件下，低频疲劳试样的寿命要高于高频疲劳试样寿命。 

3）超声疲劳实验试样的破坏方式主要表现为脆性破坏；旋转弯曲疲劳试验，试样从高应力幅低寿命区域向低应力幅高寿命区域发展的过程中，破坏方式逐渐由脆性破坏向塑性破坏方式转变。 

参考文献 

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