TC4ELI鈦合金低周疲勞性能研究

王 雷，王 琨，李艷青，黃進(jìn)浩，萬(wàn)正權(quán)

(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心 深海載人裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214082)

0 引 言

鈦合金不僅比強(qiáng)度高，而且具備良好的耐腐蝕性、低溫性能和焊接性能等適用于深海環(huán)境的特性[1-2]，在載人潛水器、深海油氣工作站、深水潛艇等深海裝備領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的TC4鈦合金相比，超低間隙元素TC4ELI鈦合金通過降低間隙元素O、N、C以及置換元素Fe的含量，提升了合金材料的斷裂韌度、抗蠕變性和熱穩(wěn)定性，使得TC4ELI鈦合金具備更好的塑性、韌性和焊接性能[3-5]。

TC4ELI鈦合金是深海載人裝備的重要材料，保障著深海耐壓結(jié)構(gòu)的安全。材料強(qiáng)度的提升往往伴隨著塑性和斷裂韌性的下降[6]，深海耐壓結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和校核需要考慮由于低周疲勞引起的結(jié)構(gòu)失效。與應(yīng)力-壽命評(píng)估方法相比，應(yīng)變-壽命方法能夠更加準(zhǔn)確地描述結(jié)構(gòu)周期性過載引起的局部塑性變形[7]。

循環(huán)載荷作用下的材料疲勞性能是鈦合金耐壓結(jié)構(gòu)壽命評(píng)估和安全性校核的重要依據(jù)。本研究在不同應(yīng)變幅值下開展鈦合金材料的低周疲勞試驗(yàn)研究，對(duì)TC4ELI鈦合金在低周疲勞下的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變特征進(jìn)行探索，給出循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，根據(jù)Ramberg-Osgood模型擬合循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)和循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)，基于Coffin-Manson模型擬合應(yīng)變-壽命特征參數(shù)，并利用SEM對(duì)試件的斷口形貌進(jìn)行分析，以期為TC4ELI鈦合金耐壓結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐和理論參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

圖1 TC4ELI鈦合金低周疲勞試樣尺寸示意圖Fig.1 Schematic of dimension of TC4ELI titanium alloy specimen for low-cycle fatigue tests

低周疲勞試驗(yàn)后，選取1#、2#、3#鈦合金試樣進(jìn)行微觀機(jī)理分析，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)變幅值分別為0.6%、0.9%、1.2%。3個(gè)試樣斷裂后，在斷口附近沿軸向截取金相試樣，采用金相顯微鏡觀察顯微組織。采用掃描電鏡對(duì)應(yīng)變幅值為0.6%、0.9%、1.2%的TC4ELI鈦合金低周疲勞試樣進(jìn)行斷口觀察與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)特性

在循環(huán)載荷過程中，總應(yīng)變幅是彈性應(yīng)變幅和塑性應(yīng)變幅之和。選取總應(yīng)變幅為0.6%、0.9% 2種典型幅值做出應(yīng)力幅隨循環(huán)周次變化圖，如圖2所示。從圖中可以看出，初始應(yīng)力幅值最大，此后逐漸降低。應(yīng)力幅值變化呈現(xiàn)出3個(gè)階段，第1、第3階段應(yīng)力幅急劇下降，第2階段變化平穩(wěn)。

圖2 總應(yīng)變幅分別為0.6%、0.9%下的應(yīng)力隨循環(huán)周次變化曲線Fig.2 Cycle property under the total strain amplitude of 0.6%(a) and 0.9%(b)

循環(huán)加載過程中，控制應(yīng)變?yōu)楹愣〞r(shí)，材料的應(yīng)力隨循環(huán)周次的增加而降低，即TC4ELI鈦合金呈現(xiàn)出循環(huán)軟化的特性。在TC4鈦合金的研究中，有學(xué)者觀測(cè)到了同樣的循環(huán)軟化特性[8-9]，但在工業(yè)純鈦的研究中未觀測(cè)到循環(huán)軟化或硬化的特性[10-11]。

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變遲滯回線

經(jīng)過循環(huán)加載，選取總應(yīng)變幅分別為0.6%、0.9%、1.2% 3種典型幅值做出應(yīng)力-應(yīng)變遲滯回線族，如圖3所示。隨著總應(yīng)變幅增大，應(yīng)力-應(yīng)變遲滯回線所圍面積逐漸增大，即塑性應(yīng)變能逐漸增大，而相應(yīng)的塑性變形也更明顯。當(dāng)總應(yīng)變幅為0.6%時(shí)，遲滯回線近似為線性，寬度接近零，塑性變形極小，幾乎可以忽略；當(dāng)總應(yīng)變幅為0.9%時(shí)，遲滯回線變寬，塑性環(huán)面積變大，出現(xiàn)少量塑性特征；當(dāng)應(yīng)變幅值為1.2%時(shí)，出現(xiàn)較寬的遲滯回線，塑性環(huán)面積更大，塑性變形特征明顯。隨著應(yīng)變幅值的增加，對(duì)比同期循環(huán)，應(yīng)力幅值并未增加。在存在塑性應(yīng)變的0.9%和1.2%應(yīng)變幅值下，應(yīng)力的減少可歸因于TC4鈦合金材料的循環(huán)軟化；在0.6%應(yīng)變幅值下，應(yīng)力響應(yīng)穩(wěn)定，因而未見循環(huán)軟化。

圖3 0.6%、0.9%、1.2%總應(yīng)變幅下應(yīng)力-應(yīng)變遲滯回線Fig.3 Hysteresis loops with the total strain amplitude of 0.6%(a), 0.9%(b) and 1.2%(c)

2.3 循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變特性

為探索TC4ELI鈦合金材料的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，選取考慮彈性應(yīng)變分量的Ramberg-Osgood模型：

(1)

采用塑性分量進(jìn)行計(jì)算，塑性應(yīng)變幅與應(yīng)力幅在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中呈線性關(guān)系:

(2)

(3)

圖4 塑性應(yīng)變幅與應(yīng)力幅關(guān)系擬合曲線Fig.4 Fitting curve of plastic strain and stress amplitude

圖5 TC4ELI鈦合金的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.5 Cycle strain-stress curve of TC4ELI titanium alloy

2.4 應(yīng)變-疲勞壽命特性

采用Coffin-Manson模型描繪材料的應(yīng)變-壽命特性。Coffin-Manson模型定義總應(yīng)變幅和失效反向數(shù)的關(guān)系如公式(4)：

(4)

利用Origin軟件在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上對(duì)失效反向數(shù)和應(yīng)變幅值進(jìn)行線性擬合，如圖6，得出應(yīng)變幅與壽命關(guān)系如式(5～7)。

彈性應(yīng)變幅關(guān)系式：

lg(Δεe/2)=-1.900 03-0.080 01lg(2Nf)

(5)

塑性應(yīng)變幅關(guān)系式：

lg(Δεp/2)=0.878 81-1.213 17lg(2Nf)

(6)

總應(yīng)變幅關(guān)系式：

Δε/2=0.012 6(2Nf)-0.080+7.565(2Nf)-1.213

(7)

圖6 試樣的應(yīng)變幅與疲勞壽命關(guān)系Fig.6 The relationship of strain amplitude and fatigue life for specimen

如圖6所示，Coffin-Manson的彈性擬合準(zhǔn)確的表征了TC4ELI鈦合金的彈性特性，而塑性應(yīng)變-壽命擬合曲線具有較大的斜率，某種程度上是由于高應(yīng)變幅的循環(huán)軟化特性導(dǎo)致的。

2.5 斷口形貌分析

圖7為疲勞試樣斷裂后的照片。從圖7可以看出，3個(gè)試樣斷裂均發(fā)生在引伸計(jì)標(biāo)距內(nèi)，斷裂位置有效，且整個(gè)斷口斷裂之前均未發(fā)生明顯的塑性變形，無明顯頸縮現(xiàn)象。

圖7 疲勞試樣斷裂后的照片F(xiàn)ig.7 Photo of fractured fatigue specimens

圖8為1#、2#、3#疲勞試樣斷口處的金相照片。其中，圖8c、8f、8i為距離斷口1.5 mm處的金相照片。可以看出，3個(gè)試樣均為穿晶斷裂。對(duì)比圖8b與8c、8e與8f、8h與8i，距離疲勞斷口1.5 mm處的組織與疲勞斷口處的組織形態(tài)沒有發(fā)生明顯變化。由此可見，疲勞載荷作用并沒有改變網(wǎng)籃組織的TC4ELI鈦合金的組織形態(tài)，在低周疲勞過程中均穿過網(wǎng)籃組織晶粒發(fā)生斷裂。

圖8 1#、2#、3#疲勞試樣斷口處的金相照片F(xiàn)ig.8 Metallographs of fatigue fracture position of specimens:(a)1# specimen;(b)amplified areas of 1#;(d)2# specimen; (e)amplified areas of 2#;(g)3# specimen;(h)amplified areas of 3#;(c,f,i)1.5 mm from the fracture corresponding

圖9為低周疲勞試樣斷口的SEM照片。從圖9可以看出，當(dāng)應(yīng)變幅值為0.6%時(shí)，疲勞斷口比較平整，裂紋源出現(xiàn)在表面，未見較大的塑性變形，呈現(xiàn)出典型的脆性斷裂特征；當(dāng)應(yīng)變幅值為0.9%時(shí)，整個(gè)斷裂斷口不再平直，出現(xiàn)多處裂紋源，裂紋擴(kuò)展區(qū)域輪廓清晰，斷口表面呈現(xiàn)大量小而淺的韌窩，開始呈現(xiàn)塑性斷裂特征；而當(dāng)應(yīng)變幅值變?yōu)?.2%時(shí)，裂紋源主要出現(xiàn)在材料內(nèi)部，塑性斷裂特征更加明顯，韌窩大而深，與拉伸斷裂斷口較為相似。高應(yīng)變幅下的低周疲勞失效過程由裂紋擴(kuò)展階段控制，這也為其它裂紋提供了萌生條件，進(jìn)而形成一條主裂紋源和其它裂紋源共同擴(kuò)展并相互影響。

圖9 疲勞試樣斷口的SEM照片F(xiàn)ig.9 SEM micrographs of specimens：(a,b) 1# specimen; (c,d) 2# specimen;(e,f) 3# specimen

3 結(jié) 論

(1)TC4ELI鈦合金材料在循環(huán)加載過程中應(yīng)力隨著循環(huán)周次的增加而降低，呈現(xiàn)出循環(huán)軟化的特性。

(2)根據(jù)Ramberg-Osgood模型，擬合得到TC4ELI鈦合金的循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)n′=0.077，循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)K′=1 017.255；根據(jù)Coffin-Manson模型，擬合得到TC4ELI鈦合金的應(yīng)變-壽命關(guān)系為Δε/2=0.012 6(2Nf)-0.080+7.565(2Nf)-1.213。

(3)隨著應(yīng)變幅值增大，裂紋源位置由表面變?yōu)椴牧蟽?nèi)部，韌窩變大變深，塑性斷裂特征變得更加顯著。

本研究給出了TC4ELI鈦合金在多種恒定應(yīng)變幅值下的低周疲勞特性，但實(shí)際結(jié)構(gòu)承受的循環(huán)載荷更為復(fù)雜、規(guī)律性更小。因而，需要綜合考慮更多的載荷情況(如多軸載荷、變幅值載荷等)以更好的評(píng)估TC4ELI結(jié)構(gòu)的疲勞性能。

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