朱莉娜,邓彩艳,王东坡,胡绳荪

天津大学材料科学与工程学院, 天津 300072

摘要

关键词：Ti-6Al-4V合金;超高周疲劳;表面粗糙度

Ti-6Al-4V具有高比强度、比刚度、疲劳强度和优异的抗腐蚀性能, 因此被广泛应用在航空发动机的关键部件中[1-3]. 在航空发动机长期服役期间, 这些关键部件承受着振动及循环载荷, 工作寿命常常高达107cyc以上. 美军发动机结构完整性大纲(ENSIP)要求发动机所有部件的最小寿命不低于109cyc[4], 为了保证航空发动机正常安全的服役, 钛合金的超高周疲劳性能已成为国内外学者的热门研究课题.

由于缺口往往成为材料的薄弱环节及疲劳裂纹源, 因此疲劳缺口敏感性是材料疲劳性能安全设计的重要指标[5]. 文献[6~9]研究了金属材料的疲劳缺口敏感性. Yuri等[6]研究预制缺口(缺口应力集中系数Kt分别为1.5, 2和3)对Ti-6Al-4V合金低温下高周疲劳性能的影响, 发现随着Kt的增加, 合金低温下的高周疲劳性能严重下降, 带有缺口的Ti-6Al-4V合金疲劳裂纹更倾向在合金表面处萌生. David等[7]测试了Ti-6Al-4V合金在不同缺口尺寸(Kt=1.97~4.07)下的疲劳极限, 发现Kt的微小增大会导致疲劳极限明显下降, 同时结合有限元技术分析缺口处的应力分布并计算不同尺寸缺口的极限距离, 提出一种基于缺口极限距离预测钛合金疲劳极限的方法. Ren和Nicholas[9]对U720合金的高周疲劳研究表明, 疲劳裂纹优先萌生于缺口尖端处. 缺口疲劳实验能够很好地反应实际部件由于表面尺寸变化(如键槽、小圆角、小孔等表面缺陷)所引起的应力集中对整体部件疲劳性能的影响. 然而钛合金部件如发动机压气机盘、压气机叶片、风扇叶片等在使用过程中不可避免地会产生微划痕, 这些划痕尺寸小, 划痕根部处应力集中系数也小. 因此, 缺口疲劳实验难以反映微划痕对金属疲劳性能的影响.

Suraratchai等[10]研究了不同切削速率下的表面机加工痕迹对7010铝合金高周疲劳性能的影响, 对比表面残余压应力相同的2个实验组的疲劳数据, 发现粗糙度低的实验组铝合金疲劳性能好. 对比粗糙度相同的2个实验组的疲劳数据, 发现表面残余压应力对铝合金疲劳性能无影响. Arola和Williams[11]研究了不同表面加工痕迹处的应力集中对AISI 4130 Cr钢高周疲劳性能的影响, 发现AISI 4130 Cr钢的疲劳强度随粗糙度的增加而下降, 还建立了凹痕的二维模型, 利用数值模拟计算不同尺寸下凹痕的应力集中系数. 目前多数文献研究微凹痕对金属低周和高周疲劳性能的影响, 然而微凹痕对金属的超高周疲劳性能的影响却鲜有报道. 一方面, 在超高周疲劳寿命区间试件所施加的疲劳载荷小, 微划痕应力集中区的应力远小于材料屈服应力; 另一方面, 超高周疲劳裂纹倾向于从试件内部萌生. 结合以上2个因素考虑, 依据现有研究工作难以判断表面微划痕是否依然影响材料的超高周疲劳性能, 以及是否对超高周疲劳裂纹的萌生方式有影响. 可见, 研究表面显微凹痕与金属的超高周疲劳性能的关系有着重要的研究意义.

本工作采用不同型号的砂纸打磨疲劳试件表面, 并利用超声疲劳试验机测定不同表面粗糙度下Ti-6Al-4V合金在105~109cyc范围内的疲劳曲线. 通过断口形貌分析, 讨论粗糙度对钛合金超高周疲劳裂纹萌生方式的影响. 并通过数值模拟技术, 分析表面凹痕尺寸与凹痕根部应力集中系数的关系. 最后根据Murakami疲劳强度预测公式[12]推导出钛合金的临界凹痕尺寸.

1 实验方法

实验采用的Ti-6Al-4V合金为层片状组织, 其化学成分(质量分数, %)为: Al 6, V 4, Fe 0.3, C 0.1, N 0.05, H 0.015, O 0.2, Ti余量. 利用GX51型金相显微镜(OM)观测层片状Ti-6Al-4V合金的显微组织, 结果如图1所示. 可见,β相分布在层片状α相之间, 相互平行的层片状α相具有相同取向, 形成α集束. 原始β晶粒内存在多个取向不同的α集束.

图1Ti-6Al-4V合金的显微组织

Fig.1Microstructure of Ti-6Al-4V alloy

根据超声变幅杆原理[13]设计中间等截面型的超声疲劳试件, 形貌与尺寸如图2所示. 实验设计5组不同表面粗糙度的Ti-6Al-4V合金疲劳试件, 名称定义如下: Sample 1, 依次用100~2000号砂纸打磨试件表面, 再用0.1 μm的研磨膏进行机械抛光处理; Sample 2, 将抛光试件用2000号砂纸周向打磨处理; Sample 3, 将抛光试件用800号砂纸周向打磨处理; Sample 4, 将抛光试件用400号砂纸周向打磨处理; Sample 5, 机加工后试件表面未做任何处理. 利用Sensofar共聚焦干涉显微轮廓仪测量Ti-6Al-4V合金疲劳试件的表面粗糙度, 采样间距设定为0.129 μm.

图2Ti-6Al-4V合金中间等截面超声疲劳试件形貌与尺寸

Fig.2Geometry and size of Ti-6Al-4V ultrasonic fatigue specimen with constant cross-section in the midst (unit: mm;R—radius,M—metric screw thread,?—diameter)

超高周疲劳实验在自制的TJU-HJI型超声疲劳装置上进行. 施加载荷为轴向拉-压对称循环载荷, 应力比R1=-1, 频率约为20 kHz. 实验在室温下进行, 用循环水冷却的方式控制试件升温. 疲劳实验后用TDCLSU1510型扫描电镜(SEM)观察疲劳断口.

假设表面凹痕的形状为椭圆型, 如图3所示. 根据疲劳试件和凹痕的实际尺寸, 建立带有表面横向凹痕的Ti-6Al-4V合金超声疲劳试件的三维有限元模型, 模型一端加载静载荷, 另一端施加全约束(图4). 利用ABAQUS 6.11软件计算在静载拉力作用下疲劳试件表面横向凹痕处的应力集中情况.

图3表面凹痕的形貌与尺寸

Fig.3Geometry and dimension of surface groove (a—width of groove,c—depth of groove,L—length of groove)

图4带有表面凹痕的Ti-6Al-4V合金超声疲劳试件有限元模型

Fig.4Finite element model of Ti-6Al-4V fatigue specimen with surface groove (σ—stress)

2 实验结果

2.1 表面粗糙度

图5a~e为5组Ti-6Al-4V合金疲劳试件的表面形貌, 图中直线为指定的采样路径,图5a1~e1为表面粗糙度测试结果. 各组试件的平均粗糙度Ra和最大凹痕深度Ry的统计结果见表1. 可见, 机械抛光表面(图5a)和机加工表面(图5e)凹痕分布均匀, 砂纸打磨表面(图5b~d)凹痕分布较为零散, 凹痕间发生不规则重叠. 5组试件的Ra在0.05~7.43 μm之间, 表面凹痕的宽深比a/c(a为凹痕宽度,c为凹痕深度)在2~10之间波动.

图5Ti-6Al-4V疲劳试件的表面形貌及粗糙度

Fig.5Surface topographies (a~e) and roughness profiles (a1~e1) of Ti-6Al-4V fatigue specimens for Sample 1 (a, a1), Sample 2 (b, b1), Sample 3 (c, c1), Sample 4 (d, d1) and Sample 5 (e, e1) (Straight lines in Figs.5a~e show the samplng paths)

根据临界凹痕深度的定义, 当带有表面凹痕的疲劳试件其疲劳强度σw,R与光滑试件的疲劳强度σw, 0相等时, 对应的SR即为临界凹痕处的等效面积. 本工作将凹痕形状近似看成椭圆型, 临界凹痕面积S0的计算公式如下:

$\begin{array}{c}{S}_0=\frac{1}{2}\pi a_0{c}_0\end{array}$(4)

式中,a0为临界凹痕宽度,c0为临界凹痕深度. 将式(4)代入式(3), 得到Ti-6Al-4V合金临界凹痕尺寸与光滑试件疲劳极限的关系:

$\begin{array}{c}{a}_0{c}_0=\frac{2}{\pi }{\left(\frac{1.43\times 1.29(H_v+120)}{{\sigma }_{w,0}}\right)}^{12}\end{array}$(5)

本实验中Ti-6Al-4V光滑疲劳试件的疲劳极限为600 MPa, 对于a/c为2~10的表面凹痕, 计算得出Ti-6Al-4V合金临界凹痕深度c0的范围为0.49~1.10 μm, 与实验数据相符.

4 结论

(1) 当表面凹痕小于临界尺寸时, 表面微凹痕对Ti-6Al-4V合金高周和超高周疲劳性能无影响. 通过修正后的Murakami疲劳强度预测公式计算出当凹痕宽深比在2~10之间时, 临界凹痕深度在0.49~1.10 μm之间.

(2) 当表面凹痕大于临界尺寸时, 疲劳寿命随着粗糙度的增加而下降, 但表面凹痕对Ti-6Al-4V合金超高周疲劳性能的影响小于对高周疲劳的影响.

(3) 随着粗糙度的增加, 在超高周疲劳寿命区间, Ti-6Al-4V合金内部萌生所占的比重减小. Ti-6Al-4V合金超高周疲劳裂纹源有由一个向多个、由内部向次表面转移的趋势, 这是因为表面凹痕处的应力集中使Ti-6Al-4V合金疲劳裂纹的表面启裂机制更占优势, 表面粗糙的Ti-6Al-4V合金超高周疲劳裂纹的萌生过程是晶粒取向与凹痕底部应力集中区的耦合与竞争的结果.

(4) 在静载拉力作用下, Ti-6Al-4V合金超声疲劳试件凹痕处的应力集中系数与凹痕宽深比a/c和凹痕长度L成反比, 与凹痕深度c成正比. 浅凹痕处的应力集中对凹痕长度的变化更敏感.