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【圖文摘要】缺口根部半徑對(duì)Ti-55531合金多層次片層組織高周疲勞性能和裂紋萌生行為的影響

2023-07-12 14:18:30 作者：材料疲勞CFS 來源：材料疲勞CFS 分享至：

缺口根部半徑對(duì)Ti-55531合金多層次片層組織高周疲勞性能和裂紋萌生行為的影響

張忠^a，黃朝文^a,b,c*，許子路^a，楊江^d，龍紹檑^d，譚長(zhǎng)生^e**，萬明攀^a，劉丹^a，冀勝利^b，曾衛(wèi)東^c

^a貴州大學(xué)高性能金屬結(jié)構(gòu)材料與制造技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，貴陽 550025；

^b貴州安大航空鍛造有限責(zé)任公司，安順 561000；

^c西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710072；

^d貴州理工學(xué)院材料與能源工程學(xué)院，貴陽550003;

^e西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710048

貴州大學(xué)黃朝文教授課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，除顯微組織外，應(yīng)力或應(yīng)變參數(shù)的改變，也顯著影響鈦合金的高周(Int. J. Fatigue., 2017,94:30-40.; J. Alloy. Compd., 2017,695:1966-1975; Mater. Sci. Eng. A, 2017,682:107-116.)和低周拉壓疲勞(Mater. Sci. Eng. A, 2021,803:140505.; Int. J. Fatigue, 2022,156:106678.)的循環(huán)變形、裂紋萌生機(jī)制及疲勞壽命。但組織和缺口參數(shù)對(duì)鈦合金高周疲勞損傷的協(xié)同影響機(jī)制尚不明晰。另外，片層組織是鈦合金的典型服役組織，具有類似片狀馬氏體的多層次特征，依據(jù)尺寸從大到小依次可劃分為：第一層次(原始β晶粒)；第二層次(原始β晶粒內(nèi)的α集束)；第三層次(α集束內(nèi)平行排列的α片)。不同層次組織對(duì)合金的強(qiáng)塑性、韌性有顯著影響(Mater. Des., 2019, 180, 107898; Mater. Sci. Eng. A, 2019, 740-741, 121-129; J. Mater. Sci., 2021, 56, 8848-8870)，但其對(duì)疲勞損傷影響機(jī)制也尚不清楚。因此，結(jié)合鈦合金多層次片層組織特征和實(shí)際構(gòu)件含缺口(如軸肩、鍵槽等)的現(xiàn)象，本文設(shè)計(jì)了R= 0.75、0.34 和0.14 mm三種不同缺口根部半徑試樣；系統(tǒng)研究了不同組織層次和不同缺口根部半徑對(duì)Ti-55531合金高周疲勞損傷微觀機(jī)制的協(xié)同影響規(guī)律；闡明了顯著影響缺口根部循環(huán)塑性變形的關(guān)鍵組織單元和相關(guān)的循環(huán)變形機(jī)制等。此外，采用ANSYS有限元方法，模擬研究了缺口根部應(yīng)力和應(yīng)變分布，進(jìn)一步驗(yàn)證了疲勞實(shí)驗(yàn)分析的準(zhǔn)確性(圖1)。主要結(jié)論如下：

圖1實(shí)驗(yàn)分析方法流程示意圖

(1) 合金的循環(huán)變形由次生α片內(nèi)的位錯(cuò)滑移和變形孿晶主導(dǎo)。所有缺口高周疲勞試樣的主要疲勞裂紋萌生微觀機(jī)制均為大量的滑移和孿晶引起的α/β界面開裂，少量粗大α次生片內(nèi)部滑移帶及孿晶界面開裂和少量的原始β晶界開裂。發(fā)現(xiàn)不同層次的顯微組織對(duì)鈦合金缺口高周疲勞裂紋萌生影響程度依次為：α片＞α集束＞β晶界。

(2) 隨缺口根部半徑的減小，應(yīng)力集中系數(shù)增大，孿晶體積分?jǐn)?shù)先顯著增加然后恒定，滑移占比逐漸減小(圖2)。當(dāng)缺口根半徑最小(R = 0.14 mm)、應(yīng)力集中系數(shù)最大(K_t = 4)時(shí)，除了滑移和孿晶外，還產(chǎn)生了明顯的層錯(cuò)(6.57%)。層錯(cuò)促進(jìn)α/β界面開裂及α片內(nèi)萌生微裂紋，是合金高周疲勞裂紋的另一重要萌生機(jī)制。

圖2不同缺口狀態(tài)下不同循環(huán)變形機(jī)制的占比情況

相關(guān)成果近期以《Influence of notch root radius on high cycle fatigue properties and fatigue crack initiation behavior of Ti-55531 alloy with a multilevel lamellar microstructure》為題已在J. Mater. Res. Technol. 2023，24：6293-6311期刊上發(fā)表。該成果獲得了國家自然科學(xué)基金(51801037和52061005)的資助。

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