鈦合金棒超聲疲勞試驗的結果與討論

鈦合金具有密度小，強度高等優異性能，在航空中的應用極為廣泛，尤其是用于制造航空發動機風扇和壓氣機的輪盤與葉片等構件。當鈦合金用于飛機發動機渦輪葉片時，這些部件在服役期間除了要承受一定的溫度載荷外，還要達到承受超過107周次應力循環的要求。美國空軍已經在“發動機結構完整性大綱”中規定“發動機部件的高周疲勞壽命應達到109 循環周次”，目前工程上根據107所對應的疲勞極限來進行設計越來越凸顯出不足。國內外有許多學者對鈦合金的疲勞性能進行過研究，包括加載頻率對疲勞壽命的影響方面做了相關的研究。關于頻率對疲勞壽命是否有影響，不同的學者根據自己的研究結果，所持的觀點也不同。溫度的影響將使實驗結果不能與常溫下的結果做比較。則認為在107周次以上的疲勞試驗中，由于塑性應變非常小，所引起的溫度變化可以忽略不計。研究表明，壓力容器鋼的高頻加載疲勞強度低于低頻加載的情況。研究結果顯示加載頻率的改變對直接時效GH4169高溫合金疲勞裂紋擴展性能基本沒有影響。因此對于加載頻率對疲勞壽命是否有影響，還需要做進一步的研究。本實驗對鈦合金棒選取了兩種不同加載頻率的試驗方法，做了超聲疲勞實驗和旋轉彎曲疲勞實驗，對結果做了對比分析，得到了相關的結論。 

1.試樣的制備與試驗方法 
本試驗采用的是650℃退火1.5h的鈦合金棒，抗拉強度為959MPa，屈服強度為941MPa。化學成分（wt%）為：6.0Al，4.0V，0.15Fe，0.10C，0.01N，0.015H，0.13O，余Ti。 
根據諧振動力學微分方程設計試樣如下，超聲疲勞試樣中間部分用圓弧代替。超聲疲勞實驗采用島津USF-2000型超聲疲勞試驗機在室溫下進行，同時實驗采用壓縮空氣降溫法，防止超聲實驗時試樣溫度升溫過高[13，14]，同時設置間歇比為1：10（試驗機工作110毫秒，停歇1100毫秒）。旋轉彎曲疲勞實驗采用四聯式旋轉彎曲疲勞試驗機，試樣如圖2所示，實驗在常溫下進行。試驗應力比均為R=-1。試驗結束后，對試樣斷面進行超聲波清洗處理，最后在掃描電鏡下進行斷口觀察。 

2.實驗結果與討論 
2.1 S-N曲線 
從超聲疲勞實驗和旋轉彎曲疲勞實驗的S-N曲線對比來看，兩種實驗條件下，在超過108周次后，試樣依然發生失效，在108應力循環周次內沒有出現工程上的疲勞極限。同時從整體上看，低頻試樣的疲勞壽命整體上要高于高頻疲勞試樣，類似的結果也在研究中出現過。 
本實驗的結果顯示，兩種加載頻率下，試樣的疲勞壽命有一定的區別。加載頻率對試樣的壽命是如何影響的。一般來說頻率對疲勞壽命的影響主要通過兩個方面來體現，一是高的加載頻率實驗時試樣可能會產生升溫，當溫度達到一定程度后會對材料的屬性產生影響，進而影響材料的疲勞壽命；二是高的頻率會對材料的應變產生影響，采用超聲疲勞試驗方法，頻率達到20kHz，如此高的頻率下，有可能材料的應變速率跟不上頻率的變化，從而影響材料的疲勞壽命。本實驗的結果顯示頻率對材料的疲勞壽命產生了一定的影響，但是具體是如何影響的，后文將進一步分析。 

2.2 斷口形貌分析 
超聲疲勞試驗（a，b）8.5×104周次和旋轉彎曲疲勞實驗（c，d）5.1×104周次的試樣斷口形貌，兩種試樣的斷口裂紋源附近斷口都很平整，在裂紋源附近區域有很多短小不連續的河流狀花紋，這是典型的解理斷裂特征，因此兩種試樣的破壞方式都表現為脆性破壞。斷口相對較平整，說明裂紋在擴展時速度非常快。 
超聲疲勞試驗2.03×105周次和旋轉彎曲疲勞實驗2.72×106周次的試樣斷口形貌圖，可以看出，超聲疲勞試樣斷口相對平整，對斷口上的裂紋擴展路徑上的部分區域放大，可以觀察到有許多斷斷續續的河流狀花紋，說明超聲疲勞試樣高周階段也是呈現解理斷裂，試樣的破壞方式表現為脆性破壞。 
對2.72×106周次的旋轉彎曲疲勞試樣斷口形貌進行觀察可以看到，在裂紋源附近區域，可以看到大量的韌窩，說明試樣破壞過程中發生了大量的塑性變形。對裂紋源擴展路徑上的區域放大后觀察到，裂紋擴展路徑上靠近表面的部分相對平整，說明裂紋擴展初期，試樣的破壞方式存在有解理破壞，但是隨著裂紋向內擴展，可以看到在擴展路徑上有很多的韌窩，這就說明裂紋在擴展過程開始向塑性破壞轉變，因此旋轉彎曲的破壞方式與超聲疲勞試樣在高周階段顯現出不同，試樣的破壞方式由脆性破壞向塑性破壞轉變。 
兩種超高周試樣的斷口形貌進行觀察，發現兩種試樣的斷口呈現的特征是有區別的。對于1.72×108周次超聲疲勞試樣，斷口上有大量的短小不連續的河流狀花樣，同時對裂紋源附近的區域放大可以看到，該區域斷口上出現有大量冰糖狀的晶粒，這是由于裂紋沿著晶界擴展造成的，所以會出現這樣的形貌，其破壞方式主要表現為解理破壞。
而對于1.96×108周次旋轉彎曲疲勞試樣來說，在裂紋源處有大量的韌窩出現，說明在裂紋萌生擴展的過程中發生了大量的塑性變形，試樣是以塑性破壞主導的，這與超聲疲勞試驗的脆性破壞方式是有區別的。

通過對以上不同加載頻率下的試樣斷口對比可以發現，在低周階段不同頻率下沒有明顯區別，都是以脆性破壞主導的破壞方式。 在超高周階段，兩種加載頻率下試樣的失效方式則有很大的區別，超聲疲勞試樣主要是解理斷裂，破壞方式表現為脆性破壞。而對于旋轉彎曲疲勞試樣，從大量韌窩就可以看出，整個破壞過程中是以塑性破壞主導的，試樣破壞過程中發生了大量的塑性變形，試樣失效形式表現為塑性破壞。 

因此，綜上所述，超聲疲勞試驗，試樣的破壞方式主要表現為脆性破壞，而旋轉彎曲疲勞試驗，試樣從高應力幅低壽命區域向低應力幅高壽命區域發展的過程中，破壞方式逐漸由脆性破壞向塑性破壞方式轉變。