0TC4棒材室溫疲勞壽命測定及S—N曲線的建立

房永強　楊軍紅　鄭曉斐

摘 要：本文利用升降法確定TC4棒材的疲勞極限，采用成組法確定高應(yīng)力下疲勞壽命，數(shù)據(jù)處理后建立了TC4合金棒材疲勞試驗S-N曲線。

關(guān)鍵詞：疲勞；TC4；S-N曲線

中圖分類號：TG146 文獻標(biāo)識碼：A

0.引言

TC4屬于α+β型鈦合金，其具有良好的綜合力學(xué)性能，比強度高、熱強度好、耐腐蝕，因此在航空、航天領(lǐng)域中使用越來越廣泛，其用于制作飛機結(jié)構(gòu)件和發(fā)動機中的主要構(gòu)件，這些零件通常是在交變載荷環(huán)境中運轉(zhuǎn)，這勢必就會引起疲勞。據(jù)統(tǒng)計，在各種機械失效中50%～90%是由疲勞引起的，很多失效表現(xiàn)為突然斷裂。因此研究TC4疲勞強度對提高機械產(chǎn)品的可靠性和使用壽命有著非常重要的意義。本文對TC4棒材的疲勞性能進行研究，測定了TC4的疲勞壽命，建立了疲勞壽命S-N曲線。

1.試驗原理

依據(jù)GB/T 3075-2008選擇應(yīng)力比R=0.1，在室溫下進行疲勞試驗，用升降法確定材料的室溫疲勞極限，升降法是在給定循環(huán)基數(shù)下測定疲勞極限，試驗時，從高于疲勞極限的應(yīng)力水平開始，然后逐級下降，通過107則增加一級應(yīng)力，反之降低一級應(yīng)力，直到試驗個數(shù)滿足試驗要求。成組法確定高應(yīng)力疲勞壽命，成組法是在每級應(yīng)力水平下試驗一組試樣，最后在每級應(yīng)力水平下得到一組疲勞壽命。TC4疲勞S-N曲線的建立采用直線擬合法。

2.試驗過程

2.1實驗要求

2.1.1試樣

試樣加工成d=5mm的漏斗形試樣，以防試驗時試樣發(fā)熱變形導(dǎo)致試驗無法進行，為降低應(yīng)力集中，試樣漏斗部分的圓弧半徑應(yīng)不小于10d，試樣工作部分最小半徑應(yīng)在80倍光學(xué)投影儀上測量實際數(shù)據(jù)，且試樣無劃痕和損傷，表面質(zhì)量應(yīng)一致，以防止由于表面粗糙而產(chǎn)生斷裂。試樣的連接端螺紋按三級精度制造，且必須要進行螺紋磨，大量試驗表明，螺紋中細小的裂紋都會導(dǎo)致試樣斷裂，從而影響試驗。試樣的頭部和工作部分接弧需光滑，圓弧過渡部分應(yīng)緩和均勻無劃痕。

2.1.2設(shè)備要求

設(shè)備的精度應(yīng)滿足0.5級，為避免拉伸過程中產(chǎn)生的彎矩對試驗造成影響，設(shè)備的同軸度應(yīng)保證在10%以內(nèi)。

2.1.3試驗過程

試驗時，試樣必須與上下夾塊須緊配合，以防止試驗過程中試樣抖動，受力不穩(wěn)，螺紋失效。

2.2升降法確定疲勞極限

材料在長壽命區(qū)疲勞壽命具有分散性，用常規(guī)方法得到的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，本文選擇了升降法測定材料的疲勞極限。試驗前進行預(yù)試驗，根據(jù)TC4室溫拉伸試驗的屈服強度作為參考點，選擇一個略高于疲勞極限的應(yīng)力作為起始應(yīng)力，反復(fù)試驗，確定起始應(yīng)力715MPa，應(yīng)力增量為30 MPa，選擇4級應(yīng)力水平進行試驗，試驗數(shù)據(jù)見表1。

2.3成組法確定高應(yīng)力疲勞壽命

利用升降法得到材料的疲勞極限后，取6級應(yīng)力水平，在每級應(yīng)力水平下試驗一組試樣，根據(jù)經(jīng)驗選擇5個試樣，應(yīng)力增量為40 MPa，試驗數(shù)據(jù)見表2。

2.4數(shù)據(jù)可靠性驗證

試樣的數(shù)量取決于試驗數(shù)據(jù)的分散度和所要求的置信度γ，本試驗取置信度γ為95%，每組試樣數(shù)n應(yīng)滿足

根據(jù)式（3）和式（4）計算每級應(yīng)力水平下對數(shù)壽命和對數(shù)疲勞壽命標(biāo)準(zhǔn)差s，見表2。通過計算每級應(yīng)力水平的變異系數(shù)Cv、查閱t分布函數(shù)，驗證了每級應(yīng)力水平試樣數(shù)均能夠滿足公式（2）的要求，即試樣的個數(shù)能夠滿足本試驗要求的置信度。

2.5 S-N曲線的建立及分析

升降法測定的疲勞極限與成組法測定的中值疲勞壽命合并在一起，以循環(huán)次數(shù)中值疲勞壽命N為橫坐標(biāo)，最大應(yīng)力σ為縱坐標(biāo)，采用直線擬合法，得到TC4室溫疲勞壽命曲線，如圖2所示。

材料S-N圖形的平臺直觀地反映了TC4室溫疲勞極限，即理論上在此平臺以下的區(qū)域任意選取一個應(yīng)力都能循環(huán)107而不發(fā)生斷裂。曲線部分反映的是此材料在給定應(yīng)力下發(fā)生失效可循環(huán)的次數(shù)，即疲勞壽命。S-N曲線的建立可直觀地反映了材料的疲勞極限和高應(yīng)力水平下材料的疲勞極限。從圖中可以清晰地看到，TC4高應(yīng)力下的壽命分散性很大，特別是在700MPa時，表現(xiàn)得尤為突出。影響疲勞試驗分散性的因素有很多，如材料的均勻性、試樣的加工水平、試驗機的同軸度、試驗機的誤差、試驗溫度等因素。在給定材料的條件下，實驗過程中只有有效控制其他因素的影響，使疲勞壽命的分散性才能降到最低。

結(jié)語

疲勞試驗是一個周期漫長的試驗過程， S-N曲線的建立需要4周左右時間。試樣的加工水平、試驗機精度、應(yīng)力水平的有效選擇以及試樣裝夾是疲勞試驗?zāi)芊裼行нM行的主要影響因素。試驗中必須嚴(yán)格控制TC4疲勞試樣的加工水平，保證試驗機力值和同軸度的要求，根據(jù)經(jīng)驗有效選擇檢測應(yīng)力水平，試樣合理的裝夾，才能保證無效試樣數(shù)量的減少，有利于試驗效率和精度的提高。試驗數(shù)據(jù)需要驗證其可靠性和置信度，只有有效的數(shù)據(jù)方可建立有效的S-N曲線，對TC4疲勞性能的研究才有實質(zhì)意義。

參考文獻

[1]楊學(xué)桐.力學(xué)性能試驗[M].北京：中國計量出版社，2008.

[2]G/T 3075-2008，金屬材料，疲勞試驗軸向力控制方法[S].endprint