王金龍， 高斯博， 楊宇星， 杜鳳鳴， 于靜， 王靜思 (.大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連606； .大連測(cè)控技術(shù)研究所，遼寧 大連603)

鈦合金TC17具有高強(qiáng)度、良好的耐腐蝕性、工作溫度范圍寬等優(yōu)異性能[1-3]，在工業(yè)領(lǐng)域主要用于制造各類(lèi)機(jī)械設(shè)備核心零部件及回轉(zhuǎn)類(lèi)構(gòu)件。在服役過(guò)程中，鈦合金TC17零部件受到高頻循環(huán)載荷的不斷作用，極易引起疲勞失效。研究表明，鈦合金TC17的疲勞失效主要起源于表面，并且在表面不存在明顯的損傷或缺陷的情況下，此時(shí)引起疲勞失效的主要因素是機(jī)械加工后在零部件表面形成的微觀加工缺陷。疲勞失效的發(fā)生是瞬時(shí)的，沒(méi)有任何征兆，一旦發(fā)生將會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重妨礙工業(yè)生產(chǎn)的正常進(jìn)行，對(duì)相關(guān)零部件的再制造也有不可忽視的影響[4-5]。

目前已有學(xué)者進(jìn)行了鈦合金TC17疲勞失效研究。劉漢青等[6]以TC17為研究對(duì)象，進(jìn)行了不同載荷頻率下的疲勞試驗(yàn)，分析了鈦合金TC17疲勞裂紋萌生機(jī)理，建立了薄弱取向晶粒區(qū)域尺寸的疲勞強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型。李久楷等[7]分析了高溫環(huán)境下TC17疲勞失效特征，發(fā)現(xiàn)高溫不僅促進(jìn)裂紋萌生，同樣對(duì)疲勞裂紋的擴(kuò)展有促進(jìn)作用。田偉等[8]以缺口試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究了不同缺口(缺口應(yīng)力集中系數(shù))對(duì)TC17鈦合金拉伸性能和低周疲勞性能的影響。劉亮等[9]通過(guò)振動(dòng)疲勞試驗(yàn)探究了激光沖擊強(qiáng)化對(duì)帶根部倒圓的TC17鈦合金葉片一階彎曲疲勞極限的影響。艾瑩珺等[10]通過(guò)掃描電鏡、粗糙度儀、X射線衍射儀等對(duì)孔壁表面完整性進(jìn)行分析，研究孔擠壓強(qiáng)化工藝對(duì)試樣疲勞性能的影響。李全通等[11]通過(guò)彎曲疲勞試驗(yàn)對(duì)鈦合金TC17的疲勞失效進(jìn)行了分析，由于材料之間的差異，目前已取得的成果并不能完全適用于鈦合金TC17，針對(duì)鈦合金TC17的相關(guān)研究也尚未得到廣泛的開(kāi)展，表面粗糙度對(duì)鈦合金TC17疲勞失效的影響尚不明確，相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果也較少。

本文利用超聲疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)材料鈦合金TC17進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，對(duì)試件的表面質(zhì)量進(jìn)行定量化測(cè)量。使用掃描電鏡顯微鏡及能譜分析儀對(duì)試件斷口進(jìn)行觀察，分析鈦合金TC17疲勞失效特征及機(jī)理，明確引起失效的主要損傷形式。以經(jīng)典的Basquin模型及Paris公式為基礎(chǔ)，結(jié)合疲勞試驗(yàn)結(jié)果，提出TC17的S-N曲線模型，明確與材料TC17相關(guān)的參數(shù)，建立TC17疲勞壽命預(yù)測(cè)模型。

1 TC17疲勞試驗(yàn)

本文研究的材料為航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片材料鈦合金TC17。熱處理過(guò)程為：1)再結(jié)晶退火，840 ℃保溫1 h，空冷；2)固溶時(shí)效處理，800 ℃保溫1 h，水冷；3)保溫8 h，空冷。使用萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件材料進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，得到鈦合金TC17的力學(xué)性能為彈性模量E=111.5 GPa，拉伸強(qiáng)度Rm=1 108.5 MPa，屈服強(qiáng)度Rp0.2=1 060.5 MPa，維氏硬度HV=360 kgf/mm2。試驗(yàn)中所使用的是標(biāo)準(zhǔn)“沙漏型”疲勞試件，試件最小截面的直徑為3 mm，試件如圖1所示。

粗糙度能夠?qū)崿F(xiàn)表面加工溝壑尺寸的定量表征。加工溝壑在幾何形狀上可以等效為尖銳的微觀裂紋，在外加載荷的作用下，溝壑的底部會(huì)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，并最終形成表面疲勞裂紋。表面粗糙度的變化會(huì)對(duì)試件及零部件的疲勞性能，尤其是條件疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生明顯的影響，降低材料抵抗疲勞失效的能力。使用表面輪廓儀對(duì)試件最小截面處的表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)試件在最小截面處測(cè)量3個(gè)位置的粗糙度值，對(duì)3個(gè)位置的粗糙度取平均值，即為該試件的粗糙度值。圖2所示為部分試件的表面粗糙度Ra測(cè)量結(jié)果。

圖2 部分試件表面粗糙度測(cè)量Fig.2 The examples of the surface roughness measured by surface profilometer

超聲疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)是目前應(yīng)用較廣泛的疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)之一，具有效率高、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。本文使用島津USF-2000超聲疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)鈦合金TC17進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 超聲疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 Ultrasonic fatigue test system

試驗(yàn)中載荷頻率為20 kHz±500 Hz，應(yīng)力比為r=-1，即對(duì)稱(chēng)循環(huán)載荷。以鈦合金TC17的基本力學(xué)性能參數(shù)為依據(jù)設(shè)定試驗(yàn)中的載荷大小，試驗(yàn)中的應(yīng)力幅值σa設(shè)定為615～675 MPa，間隔為15 MPa。使用強(qiáng)空氣冷卻對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中試件進(jìn)行冷卻，避免溫升對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。

2 疲勞試驗(yàn)結(jié)果及壽命分析

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

如圖4所示為試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布情況，包括應(yīng)力σa與相應(yīng)的疲勞壽命Nf，其中有2個(gè)試件在疲勞壽命達(dá)到109周次后仍未發(fā)生斷裂。

圖4 疲勞試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Fatigue test results

圖4中可以看出，應(yīng)力-壽命數(shù)據(jù)的分布呈下降趨勢(shì)，并且當(dāng)疲勞壽命達(dá)到107周次附近時(shí)，應(yīng)力-壽命的分布趨勢(shì)逐漸變得平緩。因此可以將圖4中的應(yīng)力-壽命分為2個(gè)區(qū)域：第1區(qū)域，疲勞壽命小于107周次。此時(shí)應(yīng)力-壽命曲線比較“陡峭”，斜率較大，且整體處于高周疲勞量級(jí)。同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果也顯示，該區(qū)域中的疲勞失效均起源于試件表面；第2區(qū)域，疲勞壽命大于107周次。由于該區(qū)域的疲勞試驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng)，因此試件數(shù)量相對(duì)較少。此時(shí)的應(yīng)力幅值為615 MPa，應(yīng)力-壽命分布趨于“平緩”，并且有2個(gè)試件未發(fā)生疲勞失效。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果顯示，已發(fā)生失效的試件，其疲勞失效同樣起源于試件表面。根據(jù)疲勞強(qiáng)度的定義可知，一般試驗(yàn)時(shí)規(guī)定，當(dāng)疲勞壽命達(dá)到109周次且不發(fā)生失效的最大應(yīng)力。因此根據(jù)TC17疲勞試驗(yàn)結(jié)果可知，其疲勞強(qiáng)度為615 MPa。

2.2 粗糙度與壽命

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得到表面粗糙度Ra與疲勞壽命Nf之間的分布關(guān)系，如圖5所示。

圖5 不同壽命范圍內(nèi)粗糙度Ra與疲勞壽命Fig.5 Surface roughness Ra and fatigue life in different life range

圖5顯示，疲勞壽命與表面粗糙度Ra之間呈負(fù)相關(guān)，隨著表面粗糙度Ra增大，疲勞壽命減小，該結(jié)論證實(shí)了表面粗糙度對(duì)TC17疲勞壽命的重要影響。根據(jù)圖5可以看出，在超高周階段和高周階段，粗糙度與疲勞壽命之間的分布趨勢(shì)相同，這表明可以用同一個(gè)公式對(duì)TC17不同粗糙度情況下的疲勞壽命演化規(guī)律進(jìn)行定量描述。

2.3 應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算

Murakami[12]將機(jī)械加工形成的表面微觀溝壑等效為表面疲勞裂紋，實(shí)現(xiàn)了表面粗糙度與表面疲勞裂紋之間的定量轉(zhuǎn)換。如圖6所示為表面微觀形貌，此時(shí)表面疲勞裂紋尺寸Sc、表面粗糙度Ra以及平均峰間距離2c之間關(guān)系為[12]：

圖6 表面微觀形貌Fig.6 Micro-geometry of surface

(1)

經(jīng)過(guò)推導(dǎo)得到表面粗糙度與表面疲勞裂紋之間的等效轉(zhuǎn)換模型[13]為：

Sc=2.97Ra

(2)

Murakai[14]以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)，提出金屬材料疲勞裂紋萌生位置應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算模型：應(yīng)力強(qiáng)度因子是描述裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)弱的重要參數(shù)，其中應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值ΔK為：

(3)

式中Y為位置參數(shù)，對(duì)于表面疲勞失效，Y=0.67。將式(2)代入到式(3)中，可以得基于表面粗糙度的應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值計(jì)算模型：

(4)

根據(jù)試驗(yàn)中對(duì)表面粗糙度的測(cè)量結(jié)果，可以計(jì)算得到不同表面質(zhì)量情況下的應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值，如圖7所示為應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值與疲勞壽命之間的分布。不同表面狀態(tài)下的應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值與相應(yīng)疲勞壽命之間基本滿足負(fù)相關(guān)的關(guān)系，隨著應(yīng)力強(qiáng)度因子的減小，疲勞壽命增大。圖7中的計(jì)算結(jié)果可以分為2部分，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值ΔK>1 MPa/m2時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度因子與疲勞壽命之間的斜率比較“陡峭”，相應(yīng)試件的表面粗糙度較大，平均表面粗糙度約為1.11 μm；當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值ΔK<1 MPa/m2時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度因子與疲勞壽命之間的斜率比較“陡峭”，相應(yīng)試件的表面粗糙度較小，平均粗糙度約為0.33 μm。當(dāng)表面粗糙度較大時(shí)，表面比較容易形成應(yīng)力集中，粗糙度對(duì)疲勞失效的影響比較明顯。而隨著表面質(zhì)量的提高，粗糙度值降低，表面粗糙度對(duì)疲勞失效的影響減弱，應(yīng)力幅值的作用加強(qiáng)，因此應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值與疲勞壽命之間的關(guān)系變得趨于平緩。

圖7 應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值ΔK與疲勞壽命NfFig.7 Stress intensity factor amplitude ΔK and fatigue life Nf

2.4 應(yīng)力-壽命曲線

應(yīng)力-壽命曲線是描述應(yīng)力幅值與疲勞壽命之間定量關(guān)系的重要方法，而經(jīng)典的Basquin模型由于計(jì)算簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確性好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于金屬材料的S-N曲線連續(xù)下降部分的計(jì)算。Basquin模型可以表示為：

σa=σ′f(2Nf)b

(5)

式中:σ′f為疲勞強(qiáng)度系數(shù)；b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)。針對(duì)不同的材料，模型中的未知參數(shù)不同，并且參數(shù)的變化會(huì)對(duì)S-N曲線模型產(chǎn)生明顯影響。因此以Basquin模型為基礎(chǔ)，結(jié)合鈦合金TC17疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，針對(duì)鈦合金TC17的S-N曲線擬合計(jì)算。采用非線性擬合算法來(lái)計(jì)算未知參數(shù)。擬合算法是采用連續(xù)曲線或解析表達(dá)式來(lái)表示離散數(shù)據(jù)和變量之間的函數(shù)關(guān)系。應(yīng)用Matlab軟件，經(jīng)過(guò)擬合計(jì)算得到模型參數(shù)為：σ′f=756，b=-0.011 3，置信區(qū)間為95%。將上述參數(shù)代入到式(5)中，得到鈦合金TC17的S-N曲線模型為：

σa=756(2Nf)-0.0113

(6)

連續(xù)下降部分如圖8所示，可以看出根據(jù)式(6)得到的鈦合金TC17的S-N曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足相同的趨勢(shì)線分布，考慮到金屬材料疲勞壽命概率分布的特點(diǎn)，該模型能夠用于鈦合金TC17的應(yīng)力-壽命曲線的定量表征。

圖8 鈦合金TC17 S-N曲線Fig.8 S-N curve of titanium alloy TC17

3 試驗(yàn)斷口特征分析

3.1 高周疲勞失效斷口特征

使用掃描電鏡顯微鏡進(jìn)行觀察。圖9所示為不同表面質(zhì)量情況下的試件疲勞失效斷口特征，此時(shí)疲勞壽命為高周階段。疲勞裂紋起源于試件表面，疲勞裂紋擴(kuò)展的宏觀方向是從疲勞失效源向試件另一側(cè)。在疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)域能夠明顯的觀察到疲勞輝紋及撕裂棱等明顯的失效特征。當(dāng)粗糙度較小時(shí)，在試件斷口表面只能觀察到一處疲勞失效源，而隨著表面質(zhì)量的變化，粗糙度增大，能夠在斷口表面觀察到多處疲勞失效源。由機(jī)械加工形成的表面溝壑起到了“類(lèi)裂紋”的作用，表面粗糙度越大則表示表面出現(xiàn)較深的加工溝壑的可能性越大。表面溝壑越深，底紋半徑越小，在疲勞載荷的作用下，應(yīng)力集中越明顯。高應(yīng)力集中會(huì)導(dǎo)致試件表面抵抗疲勞失效的能力降低，容易形成多個(gè)疲勞裂紋源。并且隨著粗糙度的增大，疲勞裂紋萌生過(guò)程中失效源周?chē)幕w材料塑性變形速率增加，加速了疲勞裂紋萌生，導(dǎo)致疲勞裂紋源周?chē)w材料形貌變差，并且形成多個(gè)疲勞失效源。由于多個(gè)失效源之間的距離較近，在疲勞裂紋萌生及擴(kuò)展過(guò)程中極易發(fā)生干涉，最終導(dǎo)致失效源附近的斷口表面出現(xiàn)大量的晶界斷裂的現(xiàn)象。而對(duì)于單一失效源而言，則相應(yīng)的斷口特征較少。

圖9 不同表面粗糙度試件的斷口特征Fig.9 Characteristics of the fracture surface for the specimen with different surface roughness

當(dāng)疲勞壽命處于高周階段時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果顯示試件的斷裂方式以穿晶斷裂為主，能夠觀察到較多沿晶斷裂形貌，宏觀起伏大，呈冰糖狀，在沿晶斷裂面上可見(jiàn)明顯的韌窩，如圖10所示。

圖10 穿晶斷裂形貌Fig.10 Transgranular fracture

3.2 超高周疲勞失效斷口特征

使用掃描電鏡顯微鏡及能譜分析儀對(duì)超高周試件斷口進(jìn)行觀察與檢測(cè)，此時(shí)疲勞壽命為超高周階段。如圖11(a)與(b)所示，試件斷口靠近表面的位置出現(xiàn)了類(lèi)似“魚(yú)眼區(qū)”的特征，但是通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，該特征與內(nèi)部夾雜物引起的“魚(yú)眼區(qū)”特征存在一定的差異。圖11(b)中可以在表面觀察到2個(gè)疲勞失效源，在疲勞失效的過(guò)程中，疲勞裂紋從2個(gè)失效源處起源并擴(kuò)展，在擴(kuò)展的過(guò)程中由于基體材料自身的缺陷，使2個(gè)裂紋源相遇并形成如圖11(b)中所示的類(lèi)似“魚(yú)眼區(qū)”特征。使用能譜分析儀對(duì)該特征的不同位置進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖11(c)～(f)所示?？梢钥闯觯撎卣鞯闹饕瘜W(xué)元素為鈦元素Ti，并沒(méi)有檢測(cè)到大量其他元素的富集，這說(shuō)明起因這種特征的主要因素是試件基體材料的缺陷。

圖11 斷口特征及能譜分析Fig.11 Characteristics of the fracture surface and energy spectrum analysis

如圖11所示的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)域中可以看出疲勞裂紋的擴(kuò)展方向，從失效源位置向試件另一側(cè)擴(kuò)展，當(dāng)達(dá)到擴(kuò)展區(qū)域與瞬斷區(qū)域邊界時(shí)試件發(fā)生疲勞斷裂。在擴(kuò)展區(qū)域中同樣觀察到了大量的疲勞輝紋與撕裂棱，這與高周疲勞失效特征十分相似。上述斷口特征及現(xiàn)象證明了該試件的疲勞失效同樣起源于表面，表面粗糙度是引起疲勞失效的主要原因。超高周斷口微觀形貌同樣起伏較大，有穿晶斷裂特征。雖然圖9與圖11所示的分別為高周疲勞失效與超高周疲勞失效的斷口特征，但是2種情況下的失效特征基本相似，并且與傳統(tǒng)的表面疲勞失效特征保持一致。這說(shuō)明對(duì)于鈦合金TC17而言，即使疲勞壽命達(dá)到超高周范疇，表面失效仍然是主要的失效形式，粗糙度是引起疲勞失效的主要損傷形式。

4 結(jié)論

1)針對(duì)鈦合金TC17開(kāi)展了疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，TC17的疲勞強(qiáng)度為615 MPa，應(yīng)力-壽命分布滿足典型的連續(xù)下降型分布特征。

2)在高周疲勞范圍內(nèi)，鈦合金TC17的疲勞失效均起源于表面，在疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)域能夠觀察到明顯穿晶斷裂特征。隨著粗糙度的增大，疲勞裂紋源周?chē)w材料形貌變差，并且形成多個(gè)疲勞失效源。

3)在超高周范疇內(nèi)，鈦合金TC17疲勞失效斷口特征與高周疲勞失效斷口特征相似，即使疲勞壽命達(dá)到超高周量級(jí)，疲勞失效仍起源于表面。

4)提出了基于表面粗糙度的應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算模型。當(dāng)表面粗糙度較大時(shí)，粗糙度對(duì)疲勞失效的影響比應(yīng)力幅值對(duì)疲勞失效的影明顯；當(dāng)表面粗糙度較小時(shí)，粗糙度對(duì)疲勞壽命的影響減弱，應(yīng)力幅值對(duì)疲勞壽命的影響增強(qiáng)。

本文下一步開(kāi)展不同粗糙度情況下的疲勞試驗(yàn)，豐富試驗(yàn)數(shù)據(jù)，修正目前的疲勞強(qiáng)度計(jì)算模型，提高模型的準(zhǔn)確性；并在疲勞強(qiáng)度計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，探索粗糙度與疲勞壽命之間的關(guān)系。