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钛合金棒超声疲劳试验的结果与讨论

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”中规定“发动机部件的高周疲劳寿命应达到109 循环周次”,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,包括加载频率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。温度的影响将使实验结果不能与常温下的结果做比较。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。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。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。本实验对钛合金棒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的钛合金棒,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 
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。 
超声疲劳试验2.03×105周次和旋转弯曲疲劳实验2.72×106周次的试样断口形貌图,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,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。

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