李明兵，朱知壽，王新南，祝力偉，費 躍，商國強，李 靜

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顯微組織對TC32鈦合金高周疲勞性能的影響

李明兵，朱知壽，王新南，祝力偉，費 躍，商國強，李 靜

(北京航空材料研究院先進鈦合金航空科技重點實驗室，北京 100095)

研究雙態(tài)組織和網(wǎng)籃組織對TC32鈦合金高周疲勞(HCF)性能的影響，并與TC4鈦合金等軸組織和TC21鈦合金網(wǎng)籃組織的高周疲勞性能進行對比分析。結(jié)果表明：TC32鈦合金雙態(tài)組織與網(wǎng)籃組織的高周疲勞強度分別為535.7MPa與537.5MPa，明顯高于TC4鈦合金等軸組織的，也高于TC21鈦合金網(wǎng)籃組織的。TC32鈦合金雙態(tài)組織因原始晶粒細小，且初生相與轉(zhuǎn)變基體強度匹配性良好，不存在異常的平均應力敏感性；TC32鈦合金網(wǎng)籃組織因存在較多的二次裂紋，且主裂紋擴展路徑曲折，疲勞裂紋擴展速率較雙態(tài)組織更緩慢。

TC32鈦合金；高周疲勞；疲勞斷口；顯微組織

鈦及鈦合金因比強度與比剛度高、可焊接、耐高溫、耐蝕等優(yōu)異的綜合性能，一直受到航空航天工業(yè)的極大重視與青睞[1?2]。而隨著新一代飛機和航空發(fā)動機的不斷發(fā)展，對鈦合金材料的綜合性能要求也越來越高[3]，高用量、高性能與低成本將是我國航空用鈦合金材料在21世紀所面臨的主要挑戰(zhàn)[4]。

材料長期在交變載荷作用下表現(xiàn)為疲勞斷裂[5]，其斷裂過程可分為疲勞微裂紋的萌生(微裂紋萌生區(qū))、穩(wěn)定擴展(穩(wěn)定擴展區(qū))以及失穩(wěn)擴展斷裂(快速擴展區(qū))3個階段。文獻表明[6?7]，在大多數(shù)金屬材料中，疲勞過程第一階段的損傷程度由微裂紋行為所控制，微裂紋的萌生階段占整個疲勞壽命的80%。材料的疲勞裂紋主要在駐留滑移帶(PSB)、晶界以及缺陷等位置萌生[5]。由于疲勞斷裂具有隱蔽性和突然性，一旦發(fā)生斷裂，便會造成不可逆的嚴重后果。有資料顯示，機械構(gòu)件中疲勞失效占50%~90%，而航空構(gòu)件中疲勞失效占80%以上[8]，例如航空史上幾次重大的飛行安全事故也與金屬的疲勞破壞有關(guān)[9]，因此，研究鈦合金材料的疲勞性能對于提升飛機構(gòu)件的安全性能具有重大的工程意義。

TC32鈦合金是由北京航空材料研究院研制的綜合性能優(yōu)于TC4的新型高性能低成本鈦合金[10?13]，本文主要研究TC32鈦合金雙態(tài)組織與網(wǎng)籃組織的高周疲勞性能與損傷特性，并與中等強度TC4鈦合金與中高強韌TC21鈦合金的高周疲勞性能相對比，為TC32鈦合金的工程化應用與選材提供一定的數(shù)據(jù)支持。

1 實驗

1.1 實驗原料

實驗所用3種不同鈦合金牌號的原材料均經(jīng)過3次真空自耗電弧熔煉制備出鑄錠，后經(jīng)開坯、鍛造等工序加工成棒材。兩種實驗用TC32鈦合金棒材分別經(jīng)兩相區(qū)鍛造與準鍛造后經(jīng)雙重退火處理。TC21鈦合金棒材經(jīng)準鍛造后再經(jīng)雙重退火處理。TC4鈦合金棒材經(jīng)兩相區(qū)鍛造后經(jīng)普通退火處理。

1.2 實驗方法

從棒材的邊部取縱向高倍試樣、室溫拉伸試樣及高周疲勞試樣。采用LEICA DMI3000 M型倒立型光學顯微鏡觀察合金顯微組織，其中Kroll金相腐蝕劑體積比為(HF):(HNO3):(H2O)=1:2:50。采用INSTRON5887型電子萬能試驗機測定合金的室溫拉伸性能，檢測標準為GB/T 228—2002。軸向應力疲勞試驗在QBG?100型高頻試驗機上進行，檢測標準為GB/T 228.1—2010，試驗環(huán)境為室溫與空氣，試驗頻率為125 Hz，采用升降法得出材料的疲勞極限，通過三參數(shù)冪函數(shù)法擬合得到疲勞S?N曲線。采用FM?700型顯微硬度計測定合金顯微組織的硬度。采用JSM?5600LV型掃描電鏡觀察合金的疲勞斷口形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 顯微組織與室溫拉伸性能

圖1所示分別為TC32、TC4與TC21鈦合金的金相顯微組織，從圖1中可知，經(jīng)兩相區(qū)鍛造的TC32鈦合金顯微組織為雙態(tài)組織(見圖1(a))，其特征是轉(zhuǎn)變基體上分布著不連續(xù)的初生相，含量約為24.5%，絕大多數(shù)的初生相呈等軸狀或橢圓狀，尺寸約為5 μm，少量呈短棒狀。經(jīng)準鍛造的TC32鈦合金與TC21鈦合金顯微組織均為網(wǎng)籃組織(見圖1(b)與圖1(c))，其特征是無原始晶界，原始晶粒內(nèi)部的轉(zhuǎn)變組織編制成網(wǎng)籃結(jié)構(gòu)，板條狀相厚度約為1.6 μm。經(jīng)普通退火處理的TC4鈦合金顯微組織為等軸組織(見圖1(d))，其特征是初生相沿著原始晶界析出長大，呈橢圓形，尺寸約為30 μm，含量約為67.5%，并且與周圍其他初生相接觸連接。

圖1 TC32、TC21、TC4鈦合金的金相顯微組織

表1所列分別為TC32、TC21與TC4鈦合金的室溫拉伸性能，m為抗拉強度，p0.2為屈服強度，為伸長率，為斷面收縮率?？梢钥吹?，雙態(tài)組織狀態(tài)下的TC32鈦合金強度值明顯高于其他合金的。而網(wǎng)籃組織狀態(tài)下的TC32與TC21鈦合金強度與塑性相當。等軸組織狀態(tài)下的TC4鈦合金強度值明顯低于其他合金的，但塑性值最高。

表1 TC32、TC21、TC4鈦合金的室溫拉伸性能

2.2 高周疲勞性能

圖2所示為TC32鈦合金雙態(tài)組織與TC4鈦合金等軸組織在應力比=?1下的?曲線。圖3所示為TC32與TC21鈦合金網(wǎng)籃組織在應力比=?1下的?曲線。表2列出3種(+)型鈦合金所對應的疲勞極限值，從中可以看出，在該應力比下，TC32鈦合金雙態(tài)組織與網(wǎng)籃組織的疲勞極限分別為D=535.7 MPa與D=537.5 MPa，相比TC4鈦合金等軸組織的疲勞極限(D=380 MPa)，分別高出155.7 MPa與157.5 MPa。TC32鈦合金與強度相當?shù)腡C21鈦合金網(wǎng)籃組織相比，TC32鈦合金的疲勞極限也相對較高，分別高出34.7 MPa與36.5 MPa。

圖2 TC32鈦合金雙態(tài)組織與TC4鈦合金等軸組織在應力比R=?1時的S?N曲線

表2 TC32、TC21、TC4鈦合金在應力比R=?1的高周疲勞極限

一般地，當塑形和韌性等性能指標相當?shù)那闆r下，金屬材料的高周疲勞性能與強度水平密切相關(guān)，表現(xiàn)為金屬的強度越高，其疲勞性能也就越好[14]，因此，中等強度的TC4鈦合金疲勞性能明顯低于高強韌的TC32與TC21鈦合金的。鈦合金的高周疲勞性能反映了合金組織抵抗疲勞裂紋萌生的能力[15?17]，對于鈦合金的雙態(tài)組織，影響其性能的最主要因素是由原始晶?？刂频募叽鏪15]，因為集束尺寸直接決定了其有效滑移長度，有效滑移長度越短，疲勞裂紋萌生所需要的臨界分切應力(CRSS)也就越大[17]，疲勞性能也就越好，從圖1(a)可以看出，TC32鈦合金雙態(tài)組織最典型的特點就是原始晶粒細小，從而決定了該組織狀態(tài)下的室溫拉伸強度與疲勞性能最好。其次，從圖1(d)可以看出，TC4鈦合金等軸組織中初生相沿著原始晶界析出長大，并相互連接，這一特點不僅降低了材料的強度，而且互相連接的初生相也容易萌生疲勞微裂紋，顯著降低材料的疲勞裂紋萌生壽命，相比之下，TC32與TC21鈦合金網(wǎng)籃組織具有小的滑移間距[18]，從而使強度與疲勞性能也優(yōu)于TC4鈦合金的。

研究表明[19?21]，(+)型鈦合金雙態(tài)組織和等軸組織常常表現(xiàn)出異常的平均應力敏感性(AMSS)這通常與組織強度匹配程度和疲勞裂紋形核機制有關(guān)。雙態(tài)組織由初生相及轉(zhuǎn)變基體組成，而轉(zhuǎn)變基體則是由殘余相及與轉(zhuǎn)變基體具有伯根斯位向關(guān)系的板條狀次生相組成。經(jīng)測定，TC32鈦合金雙態(tài)組織中轉(zhuǎn)變基體顯微硬度值為301.54 HV，初生相的為376.41 HV，這說明在交變載荷條件下轉(zhuǎn)變基體要先于初生相變形。而疲勞裂紋的萌生是一個損傷累積的過程[22?24]，雙態(tài)組織疲勞裂紋萌生的位置主要集中在轉(zhuǎn)變基體的次生相之間或者與初生相晶界處[15?16]，這主要是因為存在元素分配效應[15]，使得雙態(tài)組織中轉(zhuǎn)變基體的強度明顯低于初生相，在循環(huán)載荷條件下，轉(zhuǎn)變基體的次生相優(yōu)先變形，滑移首先沿著具有較低的臨界分切應力(CRSS)的基面(0002)及棱柱面開始滑移[25?27]，進而形成駐留滑移帶(PSB)，由于滑移的不可逆性，位錯容易在次生相之間或者初生相晶界處凈塞積[24, 27?28]，使彈性應變能增加，引起應力集中，因而容易萌生疲勞裂紋，降低高周疲勞性能。

圖4所示為TC32鈦合金雙態(tài)組織在不同應力比下的S?N曲線。在應力比=0.1與=--?1的條件下，兩者疲勞極限相差226.8MPa，說明TC32鈦合金雙態(tài)組織不表現(xiàn)出異常的平均應力敏感性，這證明了雙態(tài)組織中轉(zhuǎn)變基體與初生相兩者強度匹配良好(差值為74.87 HV)，從而降低了雙態(tài)組織在低應力比下疲勞微裂紋沿著轉(zhuǎn)變基體萌生的概率。

圖4 TC32鈦合金雙態(tài)組織在不同應力比下的S?N曲線

由前面可知，網(wǎng)籃組織狀態(tài)下的TC32與TC21鈦合金室溫拉伸性能相當，顯微硬度測試結(jié)果表明，兩者的顯微硬度也彼此接近(前者為373.62 HV；后者為374.58 HV)，但前者的高周疲勞極限相對較高，這表明TC32鈦合金網(wǎng)籃組織抗疲勞裂紋萌生的能力更高。

2.3 斷口分析

為了進一步分析TC32鈦合金不同組織的高周疲勞損傷特性，利用掃描電鏡(SEM)觀察了其疲勞斷口形貌。圖5與圖6所示分別為雙態(tài)組織與網(wǎng)籃組織在應力比為=?1下的掃描斷口形貌。從圖5和6中可以看出，TC32鈦合金的高周疲勞斷口形貌按照斷裂的過程可以分為疲勞源區(qū)、擴展區(qū)與瞬斷區(qū)3部分。

圖5 TC32鈦合金雙態(tài)組織的高周疲勞斷口形貌

圖6 TC32鈦合金網(wǎng)籃組織的高周疲勞斷口形貌

圖5(a)與圖6(a)所示分別為雙態(tài)組織與網(wǎng)籃組織的宏觀斷口形貌，觀察發(fā)現(xiàn)，疲勞裂紋源均萌生于試樣近表面，且為單一疲勞源。圖5(b)與圖6(b)所示分別為雙態(tài)組織與網(wǎng)籃組織的疲勞源區(qū)放大圖。由于疲勞源區(qū)裂紋的擴展速率較慢，裂紋在循環(huán)載荷的不斷作用下反復張開與閉合所造成擠壓磨損，同時在不同高度起始的裂紋擴展中相遇，匯合成輻射狀臺階或形成放射棱線。

隨著裂紋的持續(xù)擴展，疲勞斷裂過程進入了擴展區(qū)。組織因素對疲勞裂紋萌生與擴展壽命的影響往往是一對矛盾的關(guān)系，鈦合金雙態(tài)組織的抗疲勞裂紋萌生能力高于網(wǎng)籃組織的，這往往與有效滑移長度有關(guān)，但抗裂紋擴展能力卻低于網(wǎng)籃組織的，本實驗中，TC32鈦合金網(wǎng)籃組織的高周疲勞極限值并不低于雙態(tài)組織的極限值，這也能從擴展區(qū)的斷口形貌中找到依據(jù)。結(jié)合圖5(a)與圖6(a)可以看出，網(wǎng)籃組織的擴展區(qū)面積要大于雙態(tài)組織，這說明網(wǎng)籃組織的裂紋擴展壽命要高于雙態(tài)組織的。圖5(c)與圖6(c)所示分別為雙態(tài)組織與網(wǎng)籃組織的擴展區(qū)放大圖，可以發(fā)現(xiàn)兩者均存在不連續(xù)的疲勞條帶，但網(wǎng)籃組織中的二次裂紋數(shù)量要多于雙態(tài)組織的，二次裂紋數(shù)量越多，并且主裂紋擴展路徑更曲折[29]，所消耗的能量也就越多，裂紋擴展速率也就越緩慢。

當疲勞裂紋擴展至臨界尺寸時，疲勞斷裂過程進入了瞬斷區(qū)。圖5(d)與圖6(d)所示分別為雙態(tài)組織與網(wǎng)籃組織的瞬斷區(qū)放大圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，瞬斷區(qū)表面由許多相互連接的凹坑組成，表現(xiàn)為韌窩斷裂，但相比于網(wǎng)籃組織，雙態(tài)組織的韌窩斷裂特征更明顯，這主要是取決于材料的斷裂韌度與載荷方式。

3 結(jié)論

1) TC32鈦合金雙態(tài)組織與網(wǎng)籃組織的高周疲勞強度分別為535.7 MPa與537.5 MPa，明顯高于TC4鈦合金等軸組織的，也高于TC21鈦合金網(wǎng)籃組織的。

1.3.3 回顧性隊列研究的方法和內(nèi)容 （1）自基線調(diào)查以來心腦血管疾病事件的發(fā)生情況：采取從醫(yī)保中心獲取數(shù)據(jù)的方法，回顧性地對隊列人群進行調(diào)查，收集10年觀察期內(nèi)研究對象發(fā)生心腦血管疾病事件的相關(guān)資料，包括發(fā)生的時間、地點、就診醫(yī)院、診斷、治療和醫(yī)療費等信息。（2）隨訪結(jié)局定義：定義為發(fā)生結(jié)局事件，結(jié)局事件包括冠心病事件及腦卒中事件。

2) TC32鈦合金雙態(tài)組織原始晶粒細小，初生相與轉(zhuǎn)變基體強度匹配性良好，不表現(xiàn)出異常的平均應力敏感性。

3) 從斷口形貌分析可知，TC32鈦合金雙態(tài)組織與網(wǎng)籃組織的高周疲勞斷口呈現(xiàn)典型的疲勞斷裂特征，網(wǎng)籃組織中因存在較多的二次裂紋，且主裂紋擴展路徑更曲折，疲勞裂紋擴展速率較雙態(tài)組織更緩慢。

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Influence of microstructure on high cycle fatigue properties of TC32 titanium alloy

LI Ming-bing, ZHU Zhi-shou, WANG Xin-nan, ZHU Li-wei, FEI Yue, SHANG Guo-qiang, LI Jing

(Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Titanium Alloys, Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China)

The high cycle fatigue(HCF) properties were investigated on TC32 titanium alloy with the bimodal and basket microstructures, compared with the HCF properties of TC4 titanium alloy with the equiaxed microstructure and TC21 alloy with the basket microstructure. The results show that TC32 titanium alloy with bimodal and basket microstructures has a much higher HCF strength level compared to that of TC4 titanium alloy with the equiaxed microstructure and has a better HCF strength level than that of TC21 titanium alloy with the basket microstructure, which is 535.7MPa and 537.5MPa, respectively. TC32 alloy with the bimodal microstructure does not show anomalous mean stress sensitivity (AMSS) since its better matching strength between primaryandphase, and its small grain size. TC32 alloy with the basket microstructure has a greater crack propagation resistance due to main crack deflection and more secondary cracks in propagation region.

TC32 titanium alloy; high cycle fatigue; fatigue fracture; microstructure

2015-11-10; Accepted date:2016-01-24

ZHU Zhi-shou; Tel: +86-010-62496635; E-mail: zszhu@163.com

1004-0609(2016)-09-1886-07

TG146.2+3

A

2015-11-10；

2016-01-24

朱知壽，研究員，博士；電話：010-62496635；E-mail: zszhu@163.com

(編輯 王 超)