IMI834鈦合金高周及超高周疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展行為研究

劉 玉，劉宸汗，詹 敏，湯 棟，何 超，王清遠(yuǎn)，

(1.成都大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610106；2.成都大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，四川 成都 610109；3.四川大學(xué) 深地科學(xué)與工程教育部重點實驗室，四川 成都 610065)

0 引 言

IMI834 鈦合金是一種新型耐高溫結(jié)構(gòu)材料，因其比重、強(qiáng)度和使用溫度介于鋁和鋼之間，且具有低密度、高強(qiáng)度、高韌性和抗腐蝕性等特點，而被應(yīng)用于制作航空發(fā)動機(jī)渦輪、轉(zhuǎn)子與葉片等關(guān)鍵部件.但大量航空發(fā)動機(jī)渦輪、轉(zhuǎn)子與葉片等部件的疲勞失效事件表明，部件的主要失效原因為扭轉(zhuǎn)與彎曲共振疲勞，疲勞循環(huán)范圍為高周疲勞(high-cycle-fatigue，HCF)以及超高周疲勞(very-high-cycle-fatigue，VHCF)[1].近年來，關(guān)于航空用雙相高溫鈦合金的疲勞研究已有較多報道，但關(guān)于IMI834鈦合金在HCF與VHCF狀態(tài)下的疲勞失效行為的相關(guān)研究工作較為缺乏，其疲勞失效機(jī)制仍不清楚.因此，IMI834鈦合金在HCF與VHCF狀態(tài)下的疲勞失效行為研究對其長壽命安全使用具有重要意義.

相關(guān)研究表明，金屬與合金材料在不同加載條件下的HCF和VHCF疲勞破壞模式是不同的，疲勞壽命(S—N)數(shù)據(jù)主要呈線性、雙線性及階梯下降型3種[2-4].著名學(xué)者Bathias[5]提出，由于加載條件和材料類型的不同，隨著循環(huán)周次的變化，金屬與合金材料的裂紋萌生模式主要有3種，即HCF狀態(tài)下的表面萌生、VHCF狀態(tài)下的內(nèi)部萌生以及HCF到VHCF過渡狀態(tài)下的表面萌生和內(nèi)部萌生相互競爭模式.疲勞裂紋萌生模式與S—N數(shù)據(jù)類型有相互對應(yīng)的關(guān)系[6]，其對應(yīng)表現(xiàn)由于金屬與合金材料和加載條件的不同而不同，進(jìn)而導(dǎo)致材料的疲勞損傷行為存在差異性，這種差異性在部分高溫合金的疲勞研究中都有發(fā)現(xiàn)[7-10].因此，研究 IMI834 鈦合金材料的疲勞裂紋萌生模式與其S—N數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系是研究其疲勞破壞行為的重要課題.同時，材料疲勞損傷失效行為的表征也集中于對疲勞斷口中裂紋萌生和擴(kuò)展的分析.對此，本研究探討了IMI834鈦合金材料疲勞裂紋萌生形式，發(fā)現(xiàn)其疲勞裂紋萌生方式為HCF狀態(tài)下的表面萌生和 VHCF狀態(tài)下的內(nèi)部萌生.研究顯示，其裂紋內(nèi)部萌生時，斷口會形成與文獻(xiàn)報道類似的粗糙區(qū)域[3](rough area，RA)與細(xì)晶粒區(qū)[11](fine granular area，F(xiàn)GA)，不同在于RA區(qū)域晶粒更為粗糙，其形貌不規(guī)則且沒有明顯的顏色分層.此外，在 VHCF 狀態(tài)下，其特征區(qū)域 FGA由“小平面”結(jié)構(gòu)和顆粒區(qū)2部分組成[3，12-13]，部分研究將裂紋萌生的成因歸結(jié)于α晶粒團(tuán)簇結(jié)構(gòu)[14-15];但也有研究指出“小平面”結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的原因是具有微觀織構(gòu)特征的原生α晶粒區(qū)，而不是α晶粒團(tuán)簇[16-18].同時，本研究通過試驗總結(jié)了IMI834 鈦合金材料的VHCF疲勞斷口裂紋萌生區(qū)域與 FGA 不同的表現(xiàn)形式，發(fā)現(xiàn)了萌生區(qū)域內(nèi)含有與“小平面”結(jié)構(gòu)類似的“近小平面”結(jié)構(gòu)，并通過統(tǒng)計RA區(qū)域強(qiáng)度因子和分析“近小平面”結(jié)構(gòu)的演變過程與材料疲勞損傷行為的相關(guān)性，擬對IMI834鈦合金材料的疲勞壽命預(yù)測提供相關(guān)參考.

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗使用的材料為IMI834 鈦合金，其名義成分為 Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si，該合金材料在室溫下的一些基本物理和力學(xué)性能如表1所示.

表1 室溫下IMI834合金的基本物理力學(xué)性能

1.2 試驗方法

1.2.1 試樣顯微結(jié)構(gòu)

在試驗中，首先，運(yùn)用X射線衍射儀( DX-2700B型，丹東浩元儀器有限公司)對試樣進(jìn)行物相分析，圖1給出了試樣的X射線衍射(X-ray diffraction，XRD) 結(jié)果.其次，用機(jī)械拋光法拋光試樣的表面，在3.6%鹽酸和2%氫氟酸的水溶液中腐蝕5 s，熱風(fēng)干燥，利用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)(JSM-6510型，日本電子株式會社)和光學(xué)顯微鏡(optical microscope，OM)(GX-53型，奧林巴斯(中國)有限公司)觀察試樣的微觀組織，結(jié)果如圖2所示.從圖2(a)和圖2(b)可以看出，腐蝕作用后，試樣表面剩余組織由尺寸為3 μm左右的等軸α相與數(shù)個取向相近的α晶粒構(gòu)成的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)以及1 μm左右分布于α相界間和數(shù)量較少的不規(guī)則粒狀β相組成.此表明，試樣材料為近α型雙相鈦合金.

圖1 試樣的XRD掃描結(jié)果.

圖2 試樣的顯微組織觀察結(jié)果

1.2.2 疲勞試驗

在疲勞試驗中，本研究通過有限元方法設(shè)計了用于旋彎疲勞試驗與超聲疲勞試驗的啞鈴狀試樣.試樣的幾何形狀和尺寸如圖3所示.

圖3 試樣的幾何形狀和尺寸

1)旋彎疲勞試驗.試樣的中心直徑為4 mm，試樣的應(yīng)力計算公式為，

(1)

式中，σa為旋彎試樣應(yīng)力，W為加載砝碼重量，L為試樣半長，d為試樣中心直徑，g=9.18，a=1.01.

試樣采用旋彎疲勞系統(tǒng)(YRB200-010型，秋山貿(mào)易有限公司)進(jìn)行疲勞試驗，試驗設(shè)備原理圖見圖4(a).對于該系統(tǒng)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min 、頻率為50Hz，通過改變掛載砝碼重量來控制應(yīng)力幅值，直到試樣疲勞循環(huán)斷裂或循環(huán)周次達(dá)到106時停止試驗.在試驗結(jié)束后，記錄其應(yīng)力幅值以及循環(huán)次數(shù)，并使用SEM觀察所有試樣的斷裂表面.

2)超聲疲勞試驗.試樣的中心直徑為4 mm，自然縱向頻率為20 kHz.位移—應(yīng)力系數(shù)比為13.313 MPa/μm.用以20 kHz 的頻率工作的超聲疲勞測試系統(tǒng)進(jìn)行試樣的單軸拉壓疲勞試驗(應(yīng)力比R=-1)，試驗設(shè)備原理圖見圖4(b).對于該系統(tǒng)，通過測量振動來控制疲勞載荷.在試驗期間，試樣的溫度由于高頻率的振動而上升.因此，試驗采用間歇振動，每加載500 ms，間隙200 ms，并通過渦流冷卻器冷卻，將試樣溫度保持在25℃～30℃的范圍內(nèi).對試樣進(jìn)行循環(huán)加載直至試樣與加載系統(tǒng)的共振頻率變化超過500 Hz.通常，超過500 Hz表明試樣已經(jīng)發(fā)生疲勞破壞[19].若沒有發(fā)生疲勞破壞則直至109個循環(huán)時停止試驗.在試驗結(jié)束后，記錄其應(yīng)力幅值和循環(huán)周次，最后利用SEM觀察所有試樣的斷裂表面.圖5為超聲疲勞試樣有限元模擬結(jié)果.

圖4 疲勞試驗設(shè)備原理圖

圖5 超聲疲勞試樣有限元模擬結(jié)果

2 結(jié)果與分析

2.1 試樣微結(jié)構(gòu)取向特征

在相關(guān)文獻(xiàn)報道中，雙相鈦合金中α團(tuán)簇結(jié)構(gòu)以及α相相較于β相軟的現(xiàn)象對疲勞裂紋萌生及擴(kuò)展有重要的影響[3，12-15].為了驗證合金材料的疲勞損傷行為是否受相同影響的作用，本研究采用中科百測的電子背散射衍射(electron backscattered diffraction,EBSD) 技術(shù)觀察試樣的晶粒取向以及各成分的分布情況，結(jié)果如圖6所示.圖6的EBSD掃描結(jié)果顯示，試樣同時擁有尺寸為2～3 μm 左右且相對獨(dú)立存在的等軸狀α相晶粒，以及尺寸為5～10 μm,并含有數(shù)個晶粒取向相近的α團(tuán)簇結(jié)構(gòu).根據(jù)晶界的結(jié)果顯示，β相的尺寸小于1 μm，且廣泛分布于團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的邊界附近.

圖6 試樣EBSD掃描圖

2.2 試樣硬度測試

在試驗中，本研究利用破壞力學(xué)與工程防災(zāi)減災(zāi)四川省重點實驗室的納米壓痕硬度測試裝置分析了試樣組織的硬度差異，測試結(jié)果如圖7所示.結(jié)果表明，試樣的α相、團(tuán)簇結(jié)構(gòu)以及β相之間，硬度值存在一定跨度，對應(yīng)圖7(a)所示.圖7(b)所示的硬度測試數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果表明，測試位置中，位置1的硬度值最高，其值為6.83 GPa，位置7的硬度值最低，其值為3.03 GPa，圖示曲線集中區(qū)域表示的平均硬度值為4.73 GPa.對試樣硬度測試的采樣表明，β相的硬度值最高，獨(dú)立α相的硬度值次之，α相團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的硬度值最低.

圖7 試樣硬度采樣及測試結(jié)果

2.3 試樣疲勞S—N數(shù)據(jù)

在試驗中，試樣的旋彎與超聲疲勞試驗結(jié)果以帶有橫軸為失效循環(huán)次數(shù)的對數(shù)刻度、縱軸為應(yīng)力數(shù)值刻度的疲勞S—N數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，具體如圖8所示.

圖8(a)顯示，試樣旋彎疲勞試驗測試的壽命范圍為103～106，即低周和高周疲勞區(qū)域，整體疲勞壽命數(shù)據(jù)呈現(xiàn)連續(xù)下降形態(tài)，存在部分的離散數(shù)據(jù).通過對所有旋彎疲勞試樣的斷口形貌觀察發(fā)現(xiàn)，該加載條件下的疲勞裂紋都為表面萌生.根據(jù)表面裂紋起源點的數(shù)量，可分為單點表面裂紋萌生和多點表面裂紋萌生.同時，觀察裂紋萌生位置附近的區(qū)域發(fā)現(xiàn)，試樣的表面位于主裂紋的附近區(qū)域都發(fā)生了不同程度的疲勞損傷，產(chǎn)生二次裂紋.

圖8 試樣疲勞試驗的S—N數(shù)據(jù)分布

圖8(b)顯示，試樣超聲疲勞數(shù)據(jù)呈現(xiàn)雙線形態(tài)，這一形態(tài)與Gao等[19]的研究結(jié)果相似.試樣超聲疲勞試驗的數(shù)據(jù)點可以分為2組.這2組分別表示疲勞壽命低于107個循環(huán)的 HCF 狀態(tài)和高于107個循環(huán)的 VHCF 狀態(tài).可以看出，位于虛線水平梯度左側(cè)的實線附近，應(yīng)力幅值在960～1 000 MPa范圍，疲勞循環(huán)周次低于106，處于 HCF 狀態(tài)；位于虛線水平梯度右側(cè)的實線附近，應(yīng)力幅值在920～960 MPa范圍，疲勞循環(huán)周次高于107，處于 VHCF 狀態(tài).2種狀態(tài)下的疲勞循環(huán)周次數(shù)據(jù)隨著應(yīng)力幅值的降低呈線性增加的趨勢，且數(shù)據(jù)的離散性較小.試樣超聲疲勞的所有斷面形貌觀察表明，2種狀態(tài)下的裂紋萌生位置、數(shù)量與旋彎加載試驗有所不同:HCF 狀態(tài)下，裂紋大多在表面萌生且只有一個裂紋萌生源;VHCF 狀態(tài)下，裂紋在內(nèi)部萌生.同時，在應(yīng)力幅值約為955 MPa與循環(huán)周次超過106時，發(fā)現(xiàn)了 HCF 狀態(tài)下的裂紋在內(nèi)部萌生的現(xiàn)象.此表明，在該加載條件下，當(dāng)循環(huán)周次在106～107范圍時，由于應(yīng)力幅值的變化影響了材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的疲勞損傷行為，從而使得試樣的裂紋萌生方式由表面向內(nèi)部的過渡.此外，當(dāng)應(yīng)力幅值約為920 MPa時，疲勞循環(huán)周次達(dá)到109，試樣未發(fā)生疲勞破壞，試驗停止，在該超聲疲勞加載條件(應(yīng)力比R=-1)下，試樣具有較高的疲勞強(qiáng)度.

2.4 旋彎疲勞行為

2.4.1 旋彎疲勞斷口形貌

試樣在旋彎加載條件下的表面裂紋疲勞失效的典型斷口形貌如圖9所示.圖9中，圖9(a)和圖9(b)應(yīng)力幅值為965.57MPa，循環(huán)周次為6.71×103；圖9(c)和圖9(d)應(yīng)力幅值為1 009.74 MPa，循環(huán)周次為6.01×103；圖9(a)和圖9(c)是包含裂紋萌生區(qū)和早期裂紋擴(kuò)展區(qū)的整體形貌，圖9(b)和圖9(d)是裂紋萌生區(qū)的高倍形貌.根據(jù)圖9(a)和圖9(c)中由于疲勞裂紋擴(kuò)展造成的放射性脊線和撕裂脊的形貌特征可以看出，試樣在該條件下的表面裂紋萌生可根據(jù)數(shù)量的不同分為單點裂紋萌生和多點裂紋萌生.由單點裂紋萌生區(qū)域觀察到，裂紋先由表面萌生，并在循環(huán)過程中向內(nèi)擴(kuò)展，形成多條撕裂脊，各撕裂脊之間存在的等軸α組織由于拉伸和旋扭載荷作用最終形成平整區(qū)域.而多點裂紋萌生區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)等軸α相與β相形成的平整區(qū)域小于單點萌生試樣，平整區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)微裂紋損傷，整個區(qū)域較為粗糙，且各萌生區(qū)域之間在整個斷面上形成扇形階梯.分析該條件下疲勞壽命相近的2個試樣的2種表面裂紋萌生表現(xiàn)形式發(fā)現(xiàn)，HCF狀態(tài)下應(yīng)力幅值的變化是激發(fā)表面裂紋單點或多點的主要影響因素，而啞鈴狀的試樣決定了其斷裂面形貌，即試樣中間位置的應(yīng)力場作用最大，表面的取向相近的各個α相作為裂紋萌生活躍點受到激發(fā)導(dǎo)致裂紋啟動的概率是相同的，試樣在旋轉(zhuǎn)過程中，裂紋在某點萌生后其存在一個緩慢擴(kuò)展的過程，這一過程中其他等概率的裂紋萌生活躍點可能會在高應(yīng)力幅值的作用下萌生裂紋.因此，多個裂紋萌生點以及試樣的受載形式的共同作用產(chǎn)生了試樣的上述斷口形貌的差異.

圖9 試樣在旋彎加載下典型的表面裂紋萌生形貌

2.4.2 旋彎疲勞裂紋擴(kuò)展

試樣在旋彎加載條件下的側(cè)面二次裂紋形貌如圖10所示.圖10中，圖10(a)和圖10(b)應(yīng)力幅值為978.19MPa，循環(huán)周次為1.378×104，圖10(c)和圖10(d)應(yīng)力幅值為965.57MPa，循環(huán)周次為6.71×103;圖10(a)和圖10(c)分別為表面單點萌生和表面多點萌生的試樣側(cè)面裂紋源附近形貌；圖10(b)和圖10(d)為對應(yīng)的裂紋高倍形貌.根據(jù)試樣整體形貌的損傷程度可以看出，在較低應(yīng)力幅值影響下的試樣斷口較為平整，主斷面附近的損傷程度較低.在圖10(b)和圖10(d)的二次裂紋形貌放大圖中，虛線表示微裂紋擴(kuò)展路徑，虛線圓圈表示等軸α晶粒，箭頭所指為β相.觀察結(jié)果表明，裂紋由α相內(nèi)部或α/β相邊界處萌生.據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)報道，裂紋容易穿透或沿著α相擴(kuò)展，但難以穿透β相，從而產(chǎn)生偏折[20].從裂紋兩端存在完整的α晶粒以及裂紋穿透α相的現(xiàn)象可以認(rèn)為，裂紋擴(kuò)展類型分為沿晶型和穿晶型2種.同時，在較高應(yīng)力幅值影響下，裂紋擴(kuò)展會穿透β相,如圖10(d)箭頭所示.此外，在裂紋尖端附近存在不同取向的β相，導(dǎo)致當(dāng)裂紋擴(kuò)展方向與片層狀β相平行時，裂紋沿原方向擴(kuò)展；與β相垂直或遇到β相尖端時，在載荷作用下可能穿透β相沿原方向擴(kuò)展或未穿透而發(fā)生偏折，偏折角度大致呈45°角.裂紋的擴(kuò)展路徑表明，裂紋在合金材料表面的α相內(nèi)部或邊界處萌生后，有沿著其密排六方結(jié)構(gòu)的基面或柱面向著截面和內(nèi)部擴(kuò)展的趨勢[21-23].

圖10 試樣在旋彎加載下典型的側(cè)面二次裂紋形貌

基于上述觀察，可以得出試樣在旋彎加載條件下的疲勞行為為:試樣裂紋的表面萌生無特定點位，表面區(qū)域等概率分布著裂紋萌生點位，表面單點萌生和表面多點萌生的機(jī)理相同；在循環(huán)載荷下，α相是脆性的，并且由α相的裂解引發(fā)疲勞裂紋萌生[24-25].圖10(b)和圖10(d)顯示，裂紋擴(kuò)展路徑上β相分布的數(shù)量上存在差異，在較低應(yīng)力幅值作用下，如圖10(b)所示試樣中，β相數(shù)量較多，裂紋擴(kuò)展路徑主要與β相形貌相近且僅存在少量被貫穿的α晶粒.結(jié)合圖7(a)和圖7(b)的測試結(jié)果可以推斷，試樣較軟的α相內(nèi)部、邊界以及團(tuán)簇結(jié)構(gòu)都為表面裂紋萌生活躍點，而β相的取向和占比對其疲勞裂紋的擴(kuò)展影響較大.而在較短的循環(huán)周次內(nèi)，應(yīng)力幅值較大，硬度較小且呈脆性的α晶粒對于整個疲勞壽命的影響程度較之于β相弱，表明β相對裂紋擴(kuò)展的影響是該條件下產(chǎn)生上述疲勞壽命離散性的主要原因.

2.5 超聲疲勞行為

2.5.1 超聲疲勞斷口形貌與裂紋萌生機(jī)理

試樣在超聲疲勞加載且應(yīng)力比為R=-1的條件下，HCF和VHCF狀態(tài)下裂紋表面萌生的典型斷口形貌如圖11和圖12所示.其中，HCF狀態(tài)下，應(yīng)力幅值為966 MPa，循環(huán)周次為3.9469×105，VHCF狀態(tài)下，應(yīng)力幅值為962 MPa，循環(huán)周次為5.2398×107.

圖11中，圖11(a)的整體斷口形貌顯示整個斷面可分為裂紋萌生區(qū)、擴(kuò)展區(qū)、快速擴(kuò)展區(qū)與瞬斷區(qū)4個區(qū)域.圖11(b)和圖11(c)為圖11(a)中裂紋萌生區(qū)的高倍形貌，圖11(d)為圖11(a)中裂紋擴(kuò)展區(qū)的高倍形貌.萌生區(qū)域形貌的觀測結(jié)果與文獻(xiàn)[18]的研究結(jié)果類似，為RA區(qū)域.其箭頭指向完整的α相和由載荷作用多個α相團(tuán)簇形成的隆起結(jié)構(gòu)，表明裂紋在近表面附近的α相邊界處萌生.整個區(qū)域內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯的β相結(jié)構(gòu).觀察結(jié)構(gòu)缺陷發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)的尺寸大小與β相相近，表明缺陷的成因可能與β相有關(guān)，同時，虛線圓圈表示了一個更大的凹陷區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)存在大量的尺寸為1 μm左右的圓形顆粒，大量的循環(huán)擠壓會導(dǎo)致處于真空環(huán)境中的內(nèi)部微裂紋面發(fā)生晶粒細(xì)化.細(xì)小的顆粒就是在該晶粒細(xì)化的過程中形成,該細(xì)晶層內(nèi)的晶粒尺寸可達(dá)納米級[11,26-28]. 圖11(c)為凹陷區(qū)域的放大觀察結(jié)果，顯示出大小不等的圓形顆粒廣泛分布于缺陷結(jié)構(gòu)內(nèi),即缺陷的另一成因也與此類圓形顆粒有關(guān).同時，裂紋擴(kuò)展區(qū)相較裂紋萌生區(qū)，形貌更為平整，凹陷區(qū)域內(nèi)圓形顆粒的尺寸更大，具體如圖11(d)圓圈所示.箭頭方向為裂紋大致擴(kuò)展方向，循環(huán)載荷中由于塑性變形產(chǎn)生的撕裂脊結(jié)構(gòu)與之平行，圓圈內(nèi)所示為由α相組成的較為平整的平面結(jié)構(gòu).該結(jié)構(gòu)內(nèi)還觀察到位于α相邊界且與裂紋大致擴(kuò)展方向垂直的微裂紋結(jié)構(gòu).

圖12中，圖12(b)是圖12(a)虛線所示裂紋萌生區(qū)的高倍形貌，圖12(c)是圖12(a)虛線所示裂紋擴(kuò)展區(qū)的高倍形貌.對比圖11和圖12所示的觀察結(jié)果顯示,二者在裂紋萌生區(qū)與裂紋擴(kuò)展區(qū)的形貌大體相近，區(qū)別在于 VHCF 狀態(tài)下顆粒的富集區(qū)域，即凹陷區(qū)域，更加遠(yuǎn)離試樣表面，由α相組成的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)更少且尺寸更小，且裂紋擴(kuò)展區(qū)域內(nèi)微裂紋的數(shù)量更少.同時，在相近的應(yīng)力幅值下，試樣的疲勞壽命卻產(chǎn)生了較大數(shù)量級上的差異.不難推斷，在疲勞循環(huán)過程中，試樣組織內(nèi)這些細(xì)小顆粒的產(chǎn)生對疲勞壽命產(chǎn)生了較大影響.

圖11 試樣在超聲疲勞加載HCF狀態(tài)時典型表面萌生斷口形貌

圖12 試樣在超聲疲勞加載VHCF狀態(tài)時典型表面萌生斷口形貌

2.5.2 結(jié)構(gòu)演變與壽命預(yù)測

本研究結(jié)合試樣S—N數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，超聲疲勞加載下，隨著循環(huán)周次的增加，試樣的裂紋萌生形式由表面萌生轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)部萌生，由于其距試樣斷口的幾何中心距離較遠(yuǎn)，這種內(nèi)部萌生形式本研究稱之為亞表面萌生,其特征RA區(qū)域也逐漸深入材料內(nèi)部，試樣的典型亞表面萌生斷口形貌如圖13所示.其中，R=-1，應(yīng)力幅值為924 MPa，循環(huán)周次為2.2348×108.

圖13 材料超聲疲勞加載VHCF狀態(tài)時典型亞表面萌生斷口形貌

圖13(a)所示的試樣整體形貌表明斷口區(qū)域的劃分與表面萌生一致，圖13(b)、(b-1)和(b-2)是圖13(a)虛線所示RA區(qū)域的高倍形貌.整個RA區(qū)域形貌粗糙，虛線圓圈為凹陷的細(xì)晶區(qū)，同樣存在上述討論中的與β相尺寸相近的缺陷.與圖11(b)的HCF試樣和圖12(b)的VHCF 試樣對比，其微裂紋的產(chǎn)生地點不在β相附近，而在α相邊界.同時，在RA區(qū)域內(nèi)存在數(shù)量較多且尺寸較大的撕裂脊結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)附近存在由α相塑性變形產(chǎn)生的“近小平面”結(jié)構(gòu)，而位于撕裂脊上的“近小平面”結(jié)構(gòu)內(nèi)觀察到多條α相的滑移痕跡，如圖13(b-1)和圖13(b-2)實線箭頭所示.此外，圖13(c)所示為亞表面裂紋萌生試樣裂紋擴(kuò)展區(qū)的高倍形貌，與圖12(c)的觀察結(jié)果相近，此表明，2種裂紋萌生形式下，試樣的裂紋擴(kuò)展行為沒有發(fā)生改變.

為預(yù)估應(yīng)力比為R=-1條件下，試樣的超聲疲勞循環(huán)壽命，根據(jù)Murakami等[28]提出的RA區(qū)域的應(yīng)力強(qiáng)度因子計算公式，

(2)

式中,ΔK為應(yīng)力強(qiáng)度因子,裂紋亞表面萌生C取值0.5，表面萌生取值0.65,σa為加載應(yīng)力幅值,areaRA為RA區(qū)域面積.

本研究將超聲疲勞試驗試樣RA區(qū)域應(yīng)力強(qiáng)度因子計算結(jié)果與疲勞循環(huán)周次的相關(guān)性進(jìn)行了驗證，結(jié)果如圖14所示.

圖14 試樣RA區(qū)域應(yīng)力強(qiáng)度因子與疲勞壽命的相關(guān)性曲線

圖14結(jié)果表明，試樣RA區(qū)域應(yīng)力強(qiáng)度因子與疲勞壽命的相關(guān)性與其S—N數(shù)據(jù)的變化趨勢一致.可以看出，表面裂紋萌生應(yīng)力強(qiáng)度因子的值大于亞表面萌生，隨著應(yīng)力強(qiáng)度因子值的逐漸降低，疲勞壽命增加.對此，引入相關(guān)性系數(shù)k，則疲勞壽命Nf與強(qiáng)度因子ΔK的相關(guān)性應(yīng)滿足，

Nf=kΔK

(3)

式中，相關(guān)性系數(shù)k為曲線斜率，應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK是一個與應(yīng)力幅值相關(guān)的變量.說明疲勞壽命不僅與材料的本征結(jié)構(gòu)有關(guān)，在很大程度上也受該加載條件下的應(yīng)力幅值大小的影響.

基于上述觀察，本研究認(rèn)為試樣在VHCF 狀態(tài)下RA特征區(qū)域的形成機(jī)制為:撕裂脊、凹陷及“近小平面”的結(jié)構(gòu)的存在，表明在應(yīng)力比為R=-1的超聲疲勞加載條件下，試樣裂紋以Ⅰ型裂紋為主，由于β相在循環(huán)載荷作用下發(fā)生裂解而形成缺陷形貌.而“近小平面”結(jié)構(gòu)的形成是由于α相的滑移，為循環(huán)載荷作用下的衍生結(jié)構(gòu),撕裂脊結(jié)構(gòu)的反向延長所指的終點通常為裂紋萌生點.觀察圖13(b-1)撕裂脊的終端發(fā)現(xiàn)，RA區(qū)域中心與撕裂脊終端的“近小平面”結(jié)構(gòu)不在同一平面，“近小平面”結(jié)構(gòu)的尖端附近存在數(shù)個獨(dú)立的α相，且缺陷及尺寸在1 μm左右的圓形顆粒.假設(shè)試樣的裂紋擴(kuò)展速率符合Paris準(zhǔn)則，不難推斷其早期的裂紋萌生發(fā)生于位于α/β相界處的顆粒處，因為當(dāng)試樣處于機(jī)械載荷下時，應(yīng)力集中不可避免地出現(xiàn)在這些尺寸更小的顆粒周圍[19].隨著循環(huán)載荷的作用，裂紋不斷生長，并進(jìn)一步作用在由大量隨機(jī)分布且在宏觀上表現(xiàn)出準(zhǔn)各向同性的力學(xué)性能的α相組成的等軸晶區(qū)時，滑移在α相開動，進(jìn)入裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段，逐漸形成宏觀的初始撕裂脊結(jié)構(gòu)并產(chǎn)生應(yīng)力集中，接著以相同的機(jī)制作用于初始撕裂脊結(jié)構(gòu)附近的α相，但由于各個區(qū)域內(nèi)裂紋尖端擴(kuò)展的應(yīng)力閾值不同，其作用范圍從僅對α相有效擴(kuò)展至對所有組織生效，從而使得“近小平面”結(jié)構(gòu)隨著撕裂脊結(jié)構(gòu)呈階梯分布且尺寸變小，并在裂紋快速擴(kuò)展階段趨于平整直至試樣斷裂.

3 結(jié) 論

本研究通過EBSD技術(shù)以及納米壓痕硬度測試方法對IMI834鈦合金材料的微觀織構(gòu)進(jìn)行了表征與測試，同時在不同加載條件下，分析了該合金材料的疲勞損傷行為，并得出如下結(jié)論：

1)EBSD的掃描以及硬度測試的結(jié)果分析表明，合金材料為近α型雙相鈦合金，其組織中含有較多的取向相近、疲勞性能表現(xiàn)出準(zhǔn)各向同性的α晶粒團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，其較弱的硬度為誘發(fā)疲勞裂紋在α相內(nèi)以及邊界處萌生的主要原因.

2)基于所有試樣斷口的觀察，IMI834 鈦合金材料旋彎疲勞損傷行為顯示:α相為該合金材料表面裂紋萌生活躍點，β相的分布及取向是表面裂紋擴(kuò)展路徑的主要影響因素；應(yīng)力幅值的變化為合金材料產(chǎn)生不同裂紋萌生形式的主要影響因素；較高應(yīng)力幅值作用時，合金材料表面萌生形式主要表現(xiàn)為多點裂紋萌生.

3)在應(yīng)力比為R=-1的超聲疲勞加載條件下，IMI834鈦合金材料在HCF狀態(tài)下裂紋為表面萌生，VHCF狀態(tài)下裂紋萌生由表面萌生轉(zhuǎn)為亞表面萌生.“近小平面”是α相形成的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的衍生結(jié)構(gòu)，RA區(qū)域是VHCF狀態(tài)下由裂紋萌生引發(fā)的特征區(qū)域.通過對RA區(qū)域應(yīng)力強(qiáng)度因子的計算，驗證了該合金材料疲勞壽命與RA區(qū)域應(yīng)力強(qiáng)度因子存在線性相關(guān)的關(guān)系.