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Ti-6Al-4V钛合金高温持久性能研究文光平，王丹妮，董晓峰（中航工业西安航空发动机（集团）有限公司 材料检测研究中心，陕西 西安 710021） 摘 要：在6个应力点对Ti-6Al-4V钛合金棒材进行了400℃持久试验，采用三种方法对试验数据进行了处理，得到了三种应力(σ)—时间(τ)关系曲线，研究了三种拟合方法的差异，测出了Ti-6Al-4V钛合金PL-M(σ)=T(C +lgτ)式中的C值，总结了该合金400℃持久试验断后延伸率δ和断面收缩率ψ的变化规律。
关键词：钛合金；持久强度；拟合；C值。
中图分类号： 文献标识码：0引言Ti-6Al-4V钛合金是一种较为成熟的α+β型钛合金，比强度高、耐腐蚀性强，应用范围较广，在涡轮发动机上常被用来制造风扇叶片、涡轮盘等部件[1]。
测试并研究其持久性能及规律具有重要工程价值。
本文通过一系列持久试验，采用三种方法对试验数据进行了处理，得出了该合金400℃持久试验的应力—时间关系曲线，对该材料持久性能检测的改进和寿命预测具有重要意义。
此外，还研究了三种拟合方法的优劣，求出了Ti-6Al-4V钛合金PL-M(σ)表达式中的C值，对该合金持久试验数据具有实际意义。
1 试验材料、方法及过程1.1 试验材料试验用料选用Ti-6Al-4V钛合金Φ16棒材，状态为R，化学成分如表1所示。
表1 试验用材化学成分（ω/%）C Si V Al Fe N H O0.010 0.022 4.11 6.32 0.049 0.014 0.004 0.15试验用料经过退火处理后使用，热处理制度为：800℃，2h，空冷。
1.2 试验方法及过程1.2.1 持久试验应力点的预定按照GB/T4338-2006《金属材料高温拉伸实验方法》，实测试验用料400℃下的σb和σ0.2。
由三个有效数据取平均值，得到该材料的400℃抗拉强度和规定非比例延伸强度分别为：σb=675 MPa；σ0.2 =540 MPa。
海洋结构物用钛合金Ti-6AL-4V保载—疲劳试验研究李永正;卞超;王珂;孙晓鹏;秦闯【期刊名称】《船舶力学》【年(卷),期】2018(022)009【摘要】研究表明室温下疲劳峰值的保载对钛合金材料裂纹扩展速率具有明显影响,为此文章开展了室温疲劳峰值保载对潜水器用钛合金Ti-6Al-4V疲劳裂纹扩展影响的试验研究,并基于保载—疲劳裂纹扩展速率预报模型对该材料的保载—疲劳裂纹扩展速率进行了预报研究,从而验证该模型的适用性和可靠性.研究结果表明:疲劳载荷应力峰值处引入保载时间明显加速了钛合金Ti-6Al-4V疲劳裂纹扩展速率;随着应力强度因子范围的增加,保载—疲劳裂纹扩展速率与疲劳裂纹扩展速率之间的差异增加,即高应力强度因子范围下保载对裂纹扩展速率的影响加大;基于课题组提出的保载—疲劳裂纹扩展行为预报模型,对钛合金Ti-6Al-4V保载—疲劳裂纹扩展速率进行了预报,预报结果与试验结果吻合较好,从而验证了该模型的可靠性.【总页数】12页(P1124-1135)【作者】李永正;卞超;王珂;孙晓鹏;秦闯【作者单位】江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江 212003;江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江 212003;江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江 212003;江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江 212003;江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江 212003【正文语种】中文【中图分类】U661.4【相关文献】1.钛合金Ti-6Al-4V室温保载-疲劳寿命r预报方法研究 [J], 王珂;谢晓波;李永正;韦朋余;王哲;王芳;崔维成2.钛合金室温保载—疲劳裂纹扩展预报方法\r及其对IMI834的适应性研究 [J], 李永正;谢晓波;王珂;韦朋余;王哲;孙晓鹏3.高载荷作用下Ti6242钛合金低周疲劳和保载疲劳损伤行为分析 [J], 张明达; 曹京霞; 隋楠; 周毅; 黄旭4.舰船关键节点钛合金过载保载-疲劳性能研究 [J], 李永正;孙晓鹏;崔彭飞;张剑;王珂;秦闯;吴丽5.舰船关键节点钛合金过载保载-疲劳性能研究 [J], 李永正;孙晓鹏;崔彭飞;张剑;王珂;秦闯;吴丽因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
Ti-6Al-4V(TC4)Ti-6Al-4V(TC4)钛合金是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良 好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效 使合金强化。
热处理后的强度约比退火状态提高50％～100％；高温强度高，可 在400℃～500℃的温度下长期工作，其热稳定性次于α钛合金[35]。
表3-2钛合金Ti-6Al-4V 成分钛合金Ti6Al-4V 合金碳（最大）0.10％ 铝5.50至6.75％ 氮0.05％氧气（最大）0.020％其他，合计（最大）0.40％ *其他，每个（最大）=0.1％钛平衡钒3.50至4.50％ 铁（最大）0.40％ 氢（最大）0.015％ 比重0.160弹性模量（E ）的15.2x103ksi?贝塔Transus 1800to1850°F? 液相线温度2976to3046°F 固相线温度2900to2940°F 电阻率-418°F902.5ohm-cir-mil/ft? 73.4°F1053ohm-cir-mil/ft? 986°F1143ohm-cir-mil/ft?典型的室温强度计算退火钛6Al-4V 的：极限承载强度1380年至2070年兆帕（200-300ksi ） 压缩屈服强度825-895兆帕（120-130ksi ） 极限剪切强度480-690兆帕（70-100ksi ）Ti-6Al-4V 的线膨胀系数只有8.8×10-6K-1.钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1％，但其强度低、塑性高。
99.5％工业纯钛的性能为：密度ρ=4.5g/cm3,抗拉强度σb=539MPa，伸长率δ=25％，断面收缩率ψ=25％，弹性模量E=1.078×105MPa，硬度HB195。
钛的应用应用领域 材料的使用特性应用部位航喷气发动机在500℃以下具有高的屈服强度/在500℃以下的部位使用：压气元素 Al V Fe O Si C N H 其他 Ti成分5.5-6.83.5-4.50.30.2 0.15 0.1 0.05 0.01 0.5余量空工业密度比和疲劳强度/密度比，良好的热稳定性，优异的抗大气腐蚀性能，可减轻结构质量盘、静叶片、动叶片、机壳、燃烧室外壳、排气机构外壳、中心体、喷气管等机身在300℃以下，比强度高防火壁、蒙皮、大梁、起浇架、翼肋、隔框、紧固件、导管、舱门、拉杆等火箭、导弹及宇宙飞船工业在常温及超低温下，比强度高，并具有足够的韧性及塑性高压容器、燃料贮箱、火箭发动机及导弹壳体、飞船船舱蒙皮及结构骨架、主起落架、登月舱等船舶、舰艇制造工业比强度高，在海水及海洋气氛下具有优异的耐蚀性能耐压艇体、结构件、浮力系统球体，水上船舶的泵体、管道和甲板配件，快艇推进器、推进轴、水翼艇水翼、鞭状天线等化学工业、石油工业在氧化性和中性介质中具有良好的耐蚀性，在还原性介质中也可通过合金化改善其耐蚀性在石油化工、化肥、酸碱、钠、氯气及海水淡化等工业中，作热交换器、反应塔、蒸馏器、洗涤塔、合成器、高压釜、阀门、导管、泵、管道等其他工业常规正品制造耐蚀性好，密度小火炮尾架、迫击炮底板、火箭炮炮管及药室、喷管、火炮套箍、坦克车轮及履带、扭力棒、战车驱动轴、装甲板等冶金工业有高的化学活性和良好的耐蚀性在镍、钴、钛等有色金属冶炼中做耐蚀材料，在钢铁冶炼中是良好的脱氧剂和合金元素其他工业医疗卫生对人体体液有极好的耐蚀性，没有毒性，与肌肉组织亲合性能良好好做医疗器械及外科矫形材料，钛制牙、心脏内瓣、隔膜、骨关节及固定螺钉、钛骨头等超高真空有高的化学活性，能吸附氧、氮、氢、CO、CO2、甲烷等气体钛离子泵电镀工业耐腐蚀、寿命长、传热快、加热效果好，对产品无污染，可提高劳动生产率和减少维修费用镀镍、镀铬（除氟化物镀铬外）、酸性和氰化物镀铜、三氯化铁铜板腐蚀中作加热器、电镀槽子，网篮、挂具、薄膜蒸发器等电站高的耐蚀性，密度小、质量轻，良好的综合力学性能和工艺性能，较高的热稳定性，线胀系数小全钛凝汽器、冷凝器、管板、冷油管、蒸汽涡轮叶片等机械仪表精密天平秤杆、表壳、光学仪器等纺织工业亚漂机、亚漂罐中耐蚀零、部件造纸工业泵、阀、管道、风机、搅拌器等医药工业加料机、加热器、分离器、反应罐、搅拌器、压滤罐、出料管道等体育用品航模、羽毛球拍、登山器械、钓鱼杆、宝剑、全钛赛车等工艺美术钛板画、笔筒、砚台、拐杖、胸针等钛的热处理工艺参数牌号消除应力退火工艺①完全退火工艺②固溶处理工艺时效处理工艺温度/℃时间/min温度/℃时间/min温度/℃时间/min冷却方式温度/℃时间/min冷却方式TA1 500-600 15-60680-7230-120——————TA2 500-600 15-60680-7230-120——————TA3 500-600 15-60680-7230-120——————TA4 550-650 15-60700-7530-120——————TA5 550-650 15-60800-8530-120——————TA6 15-1275030-1—————550-650 0 -8020 —TA7 550-650 15-12750-8030-120——————TB2 480-650 15-24800 30 800 30 水或空5008空冷TC1 550-650 30-60700-7530-120——————TC2 550-650 30-60700-7530-120——————TC3 550-650 30-24700-8060-120820-9225-6水冷480-5604-8空冷TC4 550-650 30-24700-8060-120850-9530-6水冷480-5604-8空冷TC6 550-650 30-12750-8560-120860-9030-6水冷540-5804-12空冷TC9 550-650 30-24600 60900-9560-9水冷500-6002-6空冷TC1550-650 30-24760 120850-9060-9水冷500-6004-12空冷1.所有合金消除应力退火后一律采用空冷。
ti6al4v标准
Ti-6Al-4V钛合金是一种常用的钛合金材料，其标准如下：
1. 化学成分：Ti-6Al-4V钛合金的化学成分要求符合GB/T 3620.1的规定。
其中，钛(Ti)的含量为余量，铁(Fe)的含量不超过0.30%，碳(C)的含量不超过0.08%，氮(N)的含量不超过0.05%，氢(H)的含量不超过0.015%，氧(O)的含量不超过0.2%。
另外，铝(Al)的含量在5.5%～6.75%之间，钒(V)的含量在3.5%～4.5%之间。
其他元素的含量也有一定的限制，单个元素含量不超过0.1%，总和不超过0.4%。
2. 力学性能：Ti-6Al-4V钛合金的力学性能要求符合相关标准。
其中，屈服强度(σs/MPa)应不小于825，拉伸强度(σb/MPa)应不小于895，断后伸长率(δ5/%)应不大于10，断面收缩率(ψ/%)应不小于25。
3. 热处理工艺：Ti-6Al-4V钛合金的热处理工艺包括加热温度、保温时间和冷却方式等。
通常，加热温度为700℃～800℃，保温时间为1小时～3小时，冷却方式为空冷。
总的来说，Ti-6Al-4V钛合金具有优良的耐蚀性、较小的密度、高的比强度以及良好的韧性和焊接性等优点，被广泛应用于航空航天、石油化工、医疗器械等领域。
Ti-6Al-4V合金复杂温度场下的疲劳行为与机理研究自20世纪60年代以来,世界在洲际弹道导弹和载人航天飞机的发射和返回领域取得了重大的科技成果。
随着科技的发展,人类由此进入了超高音速飞行器的新领域。
高超音速飞行器的飞行轨迹为“助推滑翔”弹道,飞行器在该弹道飞行过程中会反复的进出大气层,在飞行器的再入大气阶段,飞行器与大气层摩擦会产生较高的温度,待飞行器飞出大气层后,进入了温度相对较低的大气层外部。
周期变化的温度场将使得飞行器构件外壳承受周期变化的热应力,最终引起构件的热应力疲劳;同时,长期暴露在较高的温度下的飞行器表面,容易在未保护或保护层破损的地方发生氧化反应,生成氧化层,这也会导致构件的过早破坏。
结合上诉问题,针对航天工业上广泛使用的Ti-6Al-4V(TC4)钛合金,结合循环氧化实验和ABAQUS/FE-SAFE耦合模拟方法,开展了Ti-6A1-4V合金复杂温度场下的疲劳行为与机理研究,具体内容如下:利用坩埚电阻炉开展了 Ti-6A1-4V合金在550℃、600℃、650℃、700℃和750℃下的循环氧化试验,使用HYKY-EM3200的扫描电镜观察循环氧化过后的试样微观形貌,使用HDX-1000TMB数字式显微硬度计测试试样由芯部到表面的硬度,探究复杂温度场导致飞行器生成的氧化层的表面形貌与特征。
用INSTRON 5980双立柱落地式试验机开展了准静态拉伸试验,测试在这3个温度下氧化后去除氧化层和含有氧化层的试样力学性能,探究了Ti-6A1-4V钛合金棒状试样表面氧化层对Ti-6A1-4V的力学性能和变形行为的影响。
开展了基于有限元分析软件ABAQUS及疲劳预测软件FE-SAFE,对Ti-6A1-4V 钛合金棒状试样在受周期变化的均匀温度场的影响,耦合氧化层和周期变化的背景应力进行疲劳寿命分析,研究了Ti-6A1-4V钛合金受周期性变化的复杂温度场的影响产生的热应力对其疲劳性能的影响。
c a l E n g i n e e r i n g,2011,47(14):62‐69.[22] D o n g G J,Z h a o C C,C a o M Y.F l e x i b l e‐d i eF o r m i n g P r o c e s s w i t hS o l i dG r a n u l e M e d i u m o nS h e e tM e t a l[J].T r a n s a c t i o n s o fN o n f e r r o u sM e t-a l sS o c i e t y o fC h i n a,2013,23:2666‐2677.(编辑 袁兴玲)作者简介:赵长财,男,1964年生㊂燕山大学机械工程学院教授㊁博士研究生导师㊂主要研究方向为现代液压机设计理论㊁管板材成形新工艺㊂贾向东,男,1987年生㊂燕山大学机械工程学院博士研究生㊂杨盛福(通信作者),男,1962年生㊂燕山大学机械工程学院副教授㊂邱高松,男,1980年生㊂北京动力机械研究所工程师㊂T i‐6A l‐4V 燕尾榫结构微动疲劳裂纹萌生及扩展行为研究俞树荣 王洁璐 李淑欣 宋 伟兰州理工大学,兰州,730050摘要:针对T i‐6A l‐4V钛合金燕尾榫连接结构在不同载荷下的微动疲劳现象,采用榫形微动疲劳试验进行研究,并对裂纹萌生扩展㊁微动磨损及断口进行分析㊂结果表明,微动疲劳使构件疲劳寿命显著降低约70%;疲劳载荷对微动裂纹扩展的影响比对裂纹萌生的影响更大;微动疲劳裂纹起始于接触面边缘,与接触表面约成45°角,裂纹扩展到60~150μm后转向与接触表面垂直;微动疲劳断口形貌表面在微动磨损区具有多个裂纹源点,但只有一个主裂纹形成㊂关键词:T i‐6A l‐4V钛合金;燕尾榫;微动疲劳;微动磨损中图分类号:T G115.5 D O I:10.3969/j.i s s n.1004‐132X.2015.24.021S t u d y o n t h e I n i t i a t i o na n dP r o p a g a t i o no f F r e t t i n g F a t i g u eC r a c ko n t h eT i‐6A l‐4VA l l o y D o v e t a i l J o i n tY uS h u r o n g W a n g J i e l u L i S h u x i n S o n g W e iL a n z h o uU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y,L a n z h o u,730050A b s t r a c t:F r e t t i n g f a t i g u e t e s t sw e r e c o n d u c t e d o n t h eT i‐6A l‐4V T i a l l o y d o v e t a i l j o i n t t o i n v e s t i-g a t e f r e t t i n g c r a c k s a n dw e a r u n d e r v a r i o u s l o a d l e v e l s.T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e f a t i g u e l i f e i s s i g-n i f i c a n t l y r e d u c e dd u e t o f r e t t i n g o f t h e d o v e t a i l j o i n t.T h e f a t i g u e l o a d i n g h a sm o r e i n f l u e n c e o n c r a c k p r o p a g a t i o n t h a n o n c r a c k i n i t i a t i o n.T h e f r e t t i n g c r a c k s o r i g i n a t e a t t h e e d g e o f t h e c o n t a c t s u r f a c e a n d o r i e n t a t e a t45°a n ds t a y e df o r60~150μm,t h e n p r o p a g a t en e a r l yp e r p e n d i c u l a r t ot h es u r f a c eu n t i l f r a c t u r e.T h e f r a c t u r e s u r f a c e s h o w s t h a tm u l t i p l e c r a c k i n g a t c o n t a c t s u r f a c e b u t o n l y o n em a i n c r a c k d o m i n a t e d.K e y w o r d s:T i‐6A l‐4Va l l o y;d o v e t a i l j o i n t;f r e t t i n g f a t i g u e;f r e t t i n g w e a r0 引言叶片是汽轮机㊁发动机的关键部件,微动疲劳是叶片和转子间榫连接结构的主要失效方式㊂当转子振动和气流振动传至叶片后,叶片根部与其接触的轮缘面之间发生周期性分离与接触,即受载接触表面的微幅运动和承受交变应力,产生微动疲劳[1]㊂微动疲劳现象会加速零部件的疲劳裂纹萌生与扩展,降低疲劳寿命㊂有研究表明,20%的航空发动机故障是由榫连接处的失效造成的,收稿日期:20150215基金项目:国家自然科学基金资助项目(51275225);甘肃省高等学校基本科研经费资助项目(2013.116);兰州理工大学红柳杰出青年计划资助项目(J201302)而微动损伤能使构件的疲劳寿命降低20%~ 80%,甚至更低[2‐6]㊂T i‐6A l‐4V(T C4)钛合金由于具有密度小㊁硬度高等优良特性,逐渐成为航空发动机等常用的叶片材料㊂但其耐磨性较差,对微动十分敏感,因此钛合金叶片榫头和榫槽接触面间极易发生微动疲劳损伤[7‐8],所以对T C4钛合金燕尾榫结构的微动疲劳性能研究具有重要意义㊂针对榫头的微动疲劳试验主要有两个方面,即轴向微动疲劳试验和榫形微动疲劳试验[9]㊂榫形微动疲劳试验是在轴向微动疲劳试验的基础上发展起来的㊁针对叶片榫头微动疲劳的研究方法㊂试样按照榫头形状加工,直接反映叶片轴向微动疲劳情况,更接近榫头服役的实际工况㊂试验过㊃6833㊃中国机械工程第26卷第24期2015年12月下半月Copyright©博看网. All Rights Reserved.程没有可执行的标准,对此类试验的研究报道也相对较少㊂榫形微动疲劳试验较多地与有限元模拟相结合,分析榫头处受力情况㊁裂纹萌生位置及裂纹扩展规律等㊂目前关于钛合金燕尾榫结构的微动疲劳研究主要集中在使用有限元软件进行榫头微动疲劳寿命预测和采用轴向微动疲劳试验研究材料微动损伤机理等方面㊂卫中山等[10‐11]试验研究了T C4钛合金在柱面平面接触下的微动疲劳行为,分析了其微动疲劳损伤机理,对微动区磨损形貌及断裂特征进行了分析㊂石炜[12]试验研究了T C11等三种材料的微动疲劳性能,对裂纹及断口进行了分析,引入了微动综合损伤参量估算了裂纹萌生方向㊁位置㊁寿命,并与试验结果进行了对比㊂G o l d e n等[13‐14]试验研究了榫头角度对T C4钛合金榫头微动疲劳寿命的影响,并结合有限元软件进行了微动疲劳寿命预测㊂R a j a s e k-a r a n等[15]对榫头微动疲劳进行了试验研究,并结合有限元模型提出了分析表面力和内力场的半解析方法㊂古远兴等[16‐17]试验研究了高低周复合载荷下T C11合金燕尾榫结构的微动疲劳寿命,并结合A N S Y S软件分析了裂纹萌生寿命,改进了微动疲劳寿命预测模型㊂目前,针对榫形试件微动疲劳裂纹萌生及扩展过程的分析研究较为少见,因此,本文对T C4合金榫形试样在应力比R =0.1,不同载荷条件下进行微动疲劳试验,研究微动疲劳裂纹萌生及扩展行为,为该材料的工程应用提供数据支持㊂1 试验材料与试验方法本文采用榫形试件进行微动疲劳试验㊂试验材料为宝鸡市三立有色金属有限责任公司生产的T C4钛合金板材,其室温抗拉强度为905M P a,屈服强度σ0.2为845M P a,延伸率为15%㊂材料化学成分如表1所示,材料微观组织形貌如图1所示,其组织形貌为α+β组织㊂表1 材料化学成分(质量分数)%成分T i‐6A l‐4V中的含量A l6.5V4.3F e0.06C0.01N0.01O0.08T i B a l a n c e微动疲劳试样尺寸见图2,其表面和侧面均经过打磨抛光,榫头表面经过腐蚀以显示微观组织形貌㊂所用微动块材质与试样相同㊂夹头材料为9镍钢(牌号06N i9D R),厚度为10mm㊂微动图1 T i‐6A l‐4V显微组织形貌疲劳试验在MT S810型电液伺服疲劳试验机上进行㊂裂纹萌生及扩展情况㊁微动区磨损情况使用O L YM P U S G X51型金相显微镜及Q u a n t a F E C450扫描电子显微镜观察㊂最大循环载荷(载荷峰值)F分别为12kN㊁11k N㊁10k N,应力比R=0.1,试验频率为25H z㊂图2 燕尾榫结构微动疲劳试样尺寸图(mm)2 试验结果及分析2.1 应力寿命曲线图3所示为T i‐6A l‐4V微动疲劳寿命曲线㊂与常规疲劳寿命曲线[18]相比,微动疲劳寿命缩短了约70%㊂微动疲劳寿命曲线陡峭,说明载荷对寿命的影响不是很显著㊂常规疲劳试验中,当载图3 T i‐6A l‐4V微动疲劳与常规疲劳应力寿命曲线的对比荷增大30M P a时,循环周次减少2.8×106,而微动疲劳循环周次只减少1.5×106㊂在无微动条件下,高载荷的寿命由裂纹扩展寿命决定,低载荷的寿命则主要由裂纹萌生主导㊂在微动磨损情况下,微动疲劳裂纹的萌生取决于接触部位的应力㊃7833㊃T i‐6A l‐4V燕尾榫结构微动疲劳裂纹萌生及扩展行为研究 俞树荣 王洁璐 李淑欣等Copyright©博看网. All Rights Reserved.状态和磨损情况,高载荷致使作用于接触面的剪应力和正应力增大,对应于较大的磨损,但由于接触部位有多条小裂纹的不断萌生和止裂,主裂纹的形成有较大的随机性,因此增大载荷虽然会导致试样断裂寿命明显缩短,但并不意味着裂纹萌生寿命一定短㊂载荷的变化主要在疲劳宏观裂纹形成后对其扩展速率产生影响㊂2.2 裂纹萌生和扩展过程分析图4a 所示为微动疲劳裂纹扩展的宏观形貌,裂纹沿45°方向启裂后垂直于表面扩展,该现象在所测试的试样上均出现㊂图4b 是所测量的裂纹长度寿命曲线(a ‐N 曲线)㊂从图4中可以看出,载荷的增大对疲劳裂纹的扩展寿命影响较为显著,对疲劳裂纹的萌生寿命在一定范围内的影响较小㊂载荷F 为11k N 和12k N 时的裂纹萌生寿命相差不大,而载荷为10k N 时的裂纹萌生寿命较长㊂(a)微动疲劳裂纹扩展宏观形貌(b)不同载荷下的裂纹长度寿命曲线图4 微动疲劳裂纹形貌及扩展规律图5所示为裂纹扩展至10mm 时的裂纹形貌S E M 照片㊂如图5所示,在切向力和法向正压力的作用下,早期裂纹首先与接触表面成一定角度(θ),扩展至一定深度后,扩展方向发生突变并与接触表面基本垂直㊂斜向扩展过程受剪切型(Ⅱ型)应力强度因子控制,取决于剪应力;垂直于表面方向的扩展受张开型(Ⅰ型)应力强度因子控制,取决于正应力㊂N a m j o s h i 等[18]对T i ‐6A l ‐4V微动疲劳多轴载荷下的裂纹萌生进行了研究,认为作用在临界面上的剪应力大小决定着裂纹的萌生,正应力和剪应力共同作用于裂纹扩展㊂如图5c 所示,裂尖附近可观察到二次裂纹㊂裂纹附近晶粒取向发生改变,晶粒沿载荷方向重新排布,可观察到少量与裂纹方向成45°角的滑移线㊂微裂纹从相界开始聚集形成裂纹,最终穿过晶粒并扩展㊂(a)扩展中的裂纹(b)起裂点显微形貌(c)裂尖区域显微形貌图5 裂纹形貌(F =12k N ,N f =7.87×105)2.3 接触点磨损形貌微动疲劳裂纹源形成于磨损表层,磨损表面发生氧化且颜色较暗㊂试验观察到大量黑色的颗粒状磨屑从磨损表面脱落㊂图6a 和图6b 为不同应力下接触点磨痕形貌(清洗后)的S E M 照片,从照片中可以清楚地观察到部分滑移区A (黏着区)㊁混合区B 与滑移区C 三个区域,呈现典型的微动疲劳磨损形貌[19‐20]㊂部分滑移区A 为轻微损伤区,由于微动副始终保持接触,所以其损伤特征与边缘处明显不同㊂该区域表面磨损轻微,可观察到沿微动方向的塑性流变和犁沟,且表面有金属块掉落并出现腐蚀坑㊂损伤区呈现层状及山丘状的塑性变形,是磨粒磨损和接触疲劳的特征㊂对比图6a 和图6b 可知,随着微动疲劳载荷的增大,混合区B 及滑移区C 面积增大,试验中可观察到随着循环次数的增大,磨屑脱落速度明显加快㊂混合区B 为裂纹区,该区域摩擦力㊁表面塑性变化较大,且缺少氧化磨屑的调节,是裂纹萌生㊁扩展的危险区域㊂如图6c 和图6d 所示,在循环应力和摩擦力的共同作用下,微动表面产生大量微裂纹,微裂纹方向垂直于微动方向㊂随着微动的不断进行,微裂纹不断增加㊁积聚并向深处扩展,最后形成断裂长裂纹,对试件的疲劳寿命产生影响㊂接触表面的磨屑脱落和严重磨损主要集中在滑移区C ,C 表面㊃8833㊃中国机械工程第26卷第24期2015年12月下半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.(a)接触点磨损形貌 (F =10k N ,N f =2.5×106)(b)接触点磨损形貌(F =11k N ,N f =1.5×106)(c)微裂纹带微观形貌 (F =10k N ,N f =2.5×106)(d)微裂纹微观形貌(F =11k N ,N f =1.5×106)图6 不同载荷下接触点磨损微观形貌有大量的剥落坑,较为粗糙,是剥层磨损的特征㊂表面颗粒快速地磨损㊁剥落,可以消除接触表面可能形成的微裂纹,且极大地降低了裂纹成核的可能性㊂2.4 断口形貌试样断口宏观形貌见图7㊂图7a 所示为微动疲劳载荷下的断口宏观形貌,可以看出,断口呈现出明显的四个区:裂纹源a 区㊁裂纹扩展第一区b 区㊁裂纹稳定扩展第二区c 区和过载断裂区d 区㊂裂纹源a 区较其他区粗糙㊂放射纹收敛处为由接触点微动磨损造成的裂纹源,该区因氧化而颜色较暗㊂裂纹沿断口横截面扩展㊂与常规裂纹源区不同,微动疲劳由于承受多轴疲劳载荷,裂纹源a 区并未呈现出常规疲劳中明显的单个表面缺陷起裂的特征,而是在接触磨损区的一个区域开裂,该区的尺寸约为60~150μm ,如图7b 所示㊂文献[21]证明该小范围内的裂纹与接触表面成大约45°角,除了主裂纹外还有小裂纹存在,但这些小裂纹在几个晶粒范围内止裂㊂裂纹发生偏转发展成扩展裂纹,在断口上形成平整的稳定扩展区b,在该区内发现大量的疲劳辉纹以及垂直于断面的二次裂纹,如图7c 所示㊂当裂纹进入塑性失稳区后,断面为撕裂状,可观察到大量韧窝,靠近裂纹扩展区的韧窝形状为拉伸形成的等轴韧窝,远离裂纹扩展区的韧窝形状为撕裂形成的拉长韧窝,属于塑性材料的快速断裂特征㊂(a)微动疲劳断口宏观形貌(b)裂纹源区微观形貌(c)裂纹稳定扩展区的疲劳辉纹(d)瞬间断裂区微观形貌图7 试样断口宏观形貌(F =10k N ,N f =2.5×106)3 结论(1)微动的影响使得T i ‐6A l ‐4V 榫结构的疲劳寿命降低约70%㊂由于接触区复杂应力场和磨损的影响,微动疲劳寿命曲线较常规疲劳曲线陡峭,载荷对其寿命的影响小于常规疲劳对其寿命的影响㊂(2)微动疲劳裂纹起裂于接触面的边缘部位,方向与接触面约成45°角,斜向扩展一定深度(约为60~150μm )后转向与接触表面垂直方向扩展直至断裂㊂微动疲劳断口上呈现出多个线状疲劳源点,微裂纹在几个晶粒范围内止裂㊂随着疲劳载荷的增大,磨损区中混合区及滑移区面积增大㊂参考文献:[1] 孔润祥,周祥英.汽轮机叶片根部的微动失效[J ].热力透平,1993(2):45‐49.K o n g R u n x i a n g ,Z h o uX i a n g y i n g .F r e t t i n g F a i l u r e o f T u r b i n eB l a d eR o o t [J ].T h e r m a lT u r b i n e ,1993(2):45‐49.[2] 何明鉴.机械构件的微动疲劳[M ].北京:国防工业出版社,1994.㊃9833㊃T i ‐6A l ‐4V 燕尾榫结构微动疲劳裂纹萌生及扩展行为研究俞树荣 王洁璐 李淑欣等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.[3] 沈明学,彭金方,郑健峰,等.微动疲劳研究进展[J].材料工程,2010(12):86‐91.S h e n M i n g x u e,P e n g J i n f a n g,Z h e n g J i a n f e n g,e ta l.S t u d y a n d D e v e l o p m e n to f F r e t t i n g F a t i g u e[J].J o u r n a l o fM a t e r i a l sE n g i n e e r i n g,2010(12):86‐91.[4] 周仲荣,V i n c e n tL.微动磨损[M].北京:科学出版社,2002.[5] W a t e r h o u s eR B.F r e t t i n g F a t i g u e[M].L o n d o n:A p p l i e dS c i e n c eP u b l i s h e r sL t d.,1981.[6] N o w e l lD,D i n iD,H i l l s D A.R e c e n tD e v e l o p-m e n t si nt h e U n d e r s t a n d i n g o f F r e t t i n g F a t i g u e[J].E n g i n e e r i n g F r a c t u r e M e c h a n i c s,2006,73(2):207‐222.[7] 刘道新,何家文.微动疲劳影响因素及钛合金微动疲劳行为[J].航空学报,2001,22(5):454‐457.L i uD a o x i n,H e J i a w e n.R e v i e wo fF a c t o r s t h a t I n-f l u e n c eF r e t t i ng F a t i g u e(F F)a n dI n v e s t i g a t i o no nF FB e h a v i o ro fT i‐A l l o y[J].A c t a A e r o n a u t i c aE tA s t r o n a u t i c aS i n i c a,2001,22(5):454‐457.[8] L e eB W,S u hJ,L e e H,e ta l.I n v e s t i g a t i o n so nF r e t t i n g F a t i g u e i n A i r c r a f t E n g i n e C o m p r e s s o rB l a d e[J].E n g i n e e r i n g F a i l u r e A n a l y s i s,2011,18(7):1900‐1908.[9] 李康,付雪松,周文龙.钛合金榫头微动疲劳试验研究现状与发展[J].钛工业进展,2014,31(4):1‐5.L i K a n g,F uX u e s o n g,Z h o uW e n l o n g.P r e s e n t S i t u-a t i o na n d D e v e l o p m e n to fT i t a n i u m A l l o y D o v e t a i lF r e t t i n g F a t i g u eT e s t[J].T i t a n i u m I n d u s t r y P r o-g r e s s,2014,31(4):1‐5.[10] 卫中山,王珉,李亮,等.T C4合金微动疲劳损伤研究[J].机械工程材料,2006,30(1):30‐32.W e i Z h o n g s h a n,W a n g M i n,L i L i a n g,e t a l.F r e t-t i n g F a t i g u eD a m a g eB e h a v i o ro fT C4A l l o y[J].M a t e r i a l s f o r M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g,2006,30(1):30‐32.[11] 卫中山,王珉,张明,等.T C4钛合金的微动疲劳行为研究[J].稀有金属材料与工程,2006,35(7):1050‐1052.W e i Z h o n g s h a n,W a n g M i n,Z h a n g M i n g,e ta l.S t u d y o nF r e t t i n g F a t i g u eB e h a v i o r o fT C4T i t a n i-u m A l l o y[J].R a r eM e t a lM a t e r i a l s a n dE n g i n e e r-i n g,2006,35(7):1050‐1052.[12] 石炜.航空发动机榫连接结构微动疲劳寿命研究[D].南京:南京航空航天大学,2012.[13] G o l d e nPJ,N i c h o l a sT.T h eE f f e c to fA n g l eo nD o v e t a i lF r e t t i n gE x p e r i m e n t s i nT i‐6A l‐4V[J].F a t i g u e&F r a c t u r eo fE n g i n e e r i n g M a t e r i a l s&S t r u c t u r e s,2005,28:1169‐1175. 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中南大学硕士学位论文第一章文献综述１．１．２钛合盒的分类钛的合会化元素种类有很多，按照它们对钛的相变的影响分类，那些能提高Ｂ转变温度或者在ａ—Ｔｉ中具有很高的溶解度或能完全溶解的合金添加剂叫做ａ稳定元素。
而那些能降低Ｂ转变温度的合金添加剂叫做Ｂ稳定元素。
钛合金的分类方法有很多种，根据钛合金的组成相，分为ａ钛合金，Ｂ钛合金，ａ＋Ｂ双相钛合金。
Ｔｉ６Ａ１４ｖ是典型的ａ＋Ｂ双相钛合金，Ａ１和Ｖ元素都是作为置换式溶质原子溶解于Ｔｉ６Ａ１４ｖ中的，形成置换式固溶体。
其中Ａｌ是ａ相稳定元素，能够提高Ｂ转变温度，ｖ是Ｂ相稳定元素，能够降低Ｂ转变温度，在加热或者冷却过程中两相发生相互转变，成分上也会发生变化【２】。
Ｔｉ—Ａ１．ｖ三元系浓度三角形见图１—２。
１．２钛合金的相变及组织变化图１—２Ｔｉ．Ａ１．ｖ三元系浓度三角形１．２，１钛合金的主要的组织类型及相变【４、５】１．２．１．１钛合金中的马氏体相变由于钛在８８２．５℃存在着同素异构转变，即ａ相（密排六方）——－Ｂ相（体心立方），同时在淬火过程中还会发生马氏体相变，因此钛合金象钢一样相的种类繁多，相变丰富，当然组织类型也就较多。
钛及钛合金的组织主要有三大类型，网篮组织、等轴组织、魏氏组织，还有许多中间类型的组织。
钛合金自高温快速冷却（淬火）时，视合金成分的不同，Ｂ相可以转变为马氏体ａ’（或ａ”）、∞或过冷Ｂ等亚稳定相。
当快速冷却时，由Ｂ析出ａ相的过程来不及进行，但是８相的晶体结构不易为冷却所抑制，仍然发生了转变。
这种原始８相的成分未发生变化，但晶体结构发生了变化的过饱和固溶体便是马氏体。
若Ｂ稳定元素含量不大，则Ｂ相的晶格将由体心立方品格转变为密排六方晶格。
这种具有六方晶格的过饱和固溶体称为六方马氏体，一般以ｎ，表示。
若合金元素含量较大，则晶格转变时阻力较大，不能转变为六方晶格，而是转变为斜方晶格。
这种具有斜方晶格的马氏体称为斜方马氏体，一般以ａ”表示。
另外，还可以认为，马氏体转变是一个切变相变，在转变时，Ｂ相中的原子作集体的、有规律的近程迁移，迁移距离较大时，形成六方ｏ７，迁移距离较小时形成斜方ａ”。
T i-6A l-4V(T C4) Ti-6Al-4V(TC4)钛合金是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化。
热处理后的强度约比退火状态提高50％～100％；高温强度高，可在400℃～500℃的温度下长期工作，其热稳定性次于α钛合金[35]。
表3-2 钛合金Ti-6Al-4V成分钛合金Ti6Al-4V合金碳（最大）0.10％铝 5.50至6.75％氮0.05％氧气（最大）0.020％其他，合计（最大）0.40％*其他，每个（最大）= 0.1％钛平衡钒 3.50至4.50％铁（最大）0.40％氢（最大）0.015％比重0.160弹性模量（E）的15.2 x 10 3 ksi?贝塔Transus 1800 to 1850 °F?液相线温度2976 to 3046 °F固相线温度2900 to 2940 °F电阻率-418 °F 902.5 ohm-cir-mil/ft?73.4 °F 1053 ohm-cir-mil/ft?986 °F 1143 ohm-cir-mil/ft?典型的室温强度计算退火钛6Al-4V的：极限承载强度1380年至2070年兆帕（200-300 ksi）压缩屈服强度825-895兆帕（120-130 ksi）极限剪切强度480-690兆帕（70-100 ksi）Ti-6Al-4V 的线膨胀系数只有8.8×10-6K-1.钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1％，但其强度低、塑性高。
99.5％工业纯钛的性能为：密度ρ=4.5g/cm3,抗拉强度σb=539MPa，伸长率δ=25％，断面收缩率ψ=25％，弹性模量E=1.078×105MPa，硬度HB195。
