季英萍, 吴素君

Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V钛合金（TA15）是一种高铝含量的近α型中强度钛合金。它具有中等的室温强度和高温强度，良好的热稳定性和焊接性能，较高的比强度、抗蠕变性和耐腐蚀性[1]，目前已被广泛应用于制造高性能飞机的重要结构件和焊接承力结构件，如飞机隔框、壁板等工作温度较高，受力较复杂的重要结构零件，是国内外先进飞机机体的主体材料[2-4]。在实际运行当中，飞机飞行状态经常改变，机体构件所承受的应力时刻发生变化，处于交变应力的负载状态，极易发生疲劳失效，因此针对TA15合金疲劳性能的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。

目前，对TA15钛合金的疲劳性能研究已经比较广泛，主要包括显微组织对疲劳裂纹扩展速率的影响规律[5-6]，低周疲劳性能[7]；不同应力水平下的室温高周疲劳性能[8-9]，焊接接头不同区域的疲劳裂纹扩展行为[10]等；但大多学者都只是集中于单一应力比R条件下的疲劳性能研究，对不同应力比R条件下该合金的疲劳裂纹扩展性能的研究却鲜有报道。研究发现，钛合金疲劳裂纹扩展行为具有较明显的应力比效应[11-16]，因此有必要对不同应力比R条件下的TA15合金的疲劳裂纹扩展规律进行细致深入的研究。

本工作采用三点弯曲试样，对TA15合金进行三个应力比（R = 0.1，0.3和0.5）下的疲劳裂纹扩展实验，研究应力比R对TA15合金疲劳裂纹扩展行为和断裂机理的影响。

1 实验材料及方法

实验材料为北京航空制造工程研究所提供的TA15合金，其化学成分和显微组织分别见表1和图1。从图1中可以看出，TA15合金的显微组织为双态组织，大量尺寸不均匀的球状和条状的初生α （αp）相分布在 β 转变（βt）基体上。

表1 TA15合金化学成分（质量分数/%）Table 1 Chemical composition of TA15 alloy（mass fraction/%）

疲劳裂纹扩展速率实验采用三点弯曲试样测试，试样按照GB/T6398—2000《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》要求加工，其外形尺寸为80 mm × 16 mm × 8 mm。试样加工以及裂纹初始位置示意图如图2所示。

TA15合金疲劳裂纹扩展实验在Instron8801疲劳试验机上完成。实验温度为室温，采用恒力增大应力强度因子K的实验方法，应力比R分别采用0.1，0.3和0.5，加载波形为正弦波，频率为10 Hz，最大载荷Pmax= 1.2 kN。实验过程中采用COD规测量试样裂纹的张开位移，并采用柔度法计算裂纹长度。试样断裂后，采用JSM-5800扫描电镜（SEM）观察断口形貌。

2 结果与分析

2.1 疲劳裂纹扩展速率曲线

TA15合金在应力比R = 0.1，0.3和0.5 时疲劳裂纹扩展速率曲线如图3所示。从图3可以看出，不同R条件下的曲线均存在三个阶段，即近门槛扩展区、稳态扩展区和快速扩展区，且随着应力比R的增大，da/dN-ΔK曲线向左即低ΔK方向移动。另外，裂纹扩展对应的应力强度因子ΔK的范围以及进入稳态扩展阶段的应力强度因子（扩展门槛值ΔKth）也不同。结合表2可以看出，随着R的増大，裂纹扩展对应的应力强度因子ΔK范围和ΔKth都变小。如R = 0.1时，裂纹扩展对应的应力强度因子 ΔK 的范围为 18.4～49.8，ΔKth= 18.8；而当 R = 0.5时，裂纹扩展对应的应力强度因子ΔK的范围降低为 7.5～20.2，ΔKth减小到 8.2。由此可见，TA15 合金的da/dN-ΔK曲线与应力比R有很强的相关性。应力比R可以显著影响裂纹从近门槛值裂纹扩展区域发展到稳态扩展区域的应力强度因子和发生失稳断裂的应力强度因子。高应力比R作用下的裂纹在较小的ΔK作用下就进入了快速扩展阶段，并快速断裂。因此，小的应力比R有利于提高TA15合金的疲劳裂纹发生稳态扩展和失稳所需的应力强度因子ΔK，这与应力比R对其他钛合金疲劳裂纹扩展行为的研究结果一致[16-18]。

表2 不同应力比作用下疲劳裂纹扩展（FCG）的ΔK范围和门槛值ΔKthTable 2 Scope of ΔK and threshold value （ΔKth） of FCG at different load ratios

在疲劳裂纹扩展速率曲线的中间部分，即疲劳裂纹稳态扩展阶段，三个应力比测试条件下的数据有些重合，但依然可见在同一ΔK作用下，应力比R越大，疲劳裂纹扩展速率da/dN越大。这与Dubey对Ti-6Al-4V合金不同应力比R下的da/dN-ΔK曲线变化规律一致[19]。不同应力比R = 0.1，0.3和0.5对应的Paris公式，即Paris = C（ΔK）m拟合结果分别如式（1），（2）和（3）所示。对比 3 个式子可以看出，Pairs公式的两个重要参数C和m在疲劳裂纹稳态扩展中随着应力比变化而变化，即C随着应力比的增加而增大，而m呈现减小的趋势。

2.2 断口形貌

不同应力比R作用下疲劳裂纹稳态扩展区的断口形貌如图4所示。从图4可以看出，不同应力比R作用下试样的疲劳断口表面特征相似，即可见一些疲劳台阶和二次裂纹。二次裂纹的形成，消耗了更多的能量，使长裂纹扩展相对艰难；同时在主裂纹扩展方向上，疲劳台阶特征非常明显，这是由于当裂纹扩展跨越晶粒沿晶界扩展时，裂纹面跨越距离较大造成的。另外，从图4还可以看出，疲劳断口上分布着明显且稳定的疲劳条带，这些近平行的疲劳条带与裂纹的主扩展方向垂直，且条带间存在着明显的垂直于裂纹扩展方向的二次疲劳裂纹，并伴有晶粒之间的撕裂棱，由此可以说明其裂纹扩展机制为穿晶模式。对比图4（a），（b）和（c）发现，随着应力比 R 的增加，试样断口表面粗糙度增加，二次裂纹减小，但裂纹扩展机制相同，均为穿晶模式。

随着应力强度因子幅值ΔK逐渐增大，疲劳裂纹不断扩展，疲劳裂纹转入快速扩展阶段，图5所示为试样在不同应力比R作用下疲劳裂纹快速扩展的断口形貌。与稳态扩展阶段的断口（图4）对比可见，试样快速扩展阶段断口同样存在二次裂纹和疲劳台阶特征，但是断口凹凸性变大；且随着应力化R的增大，断面上的凸块越来越多，但体积明显减小。

本实验研究发现，TA15合金的疲劳裂纹扩展行为与应力比R有很强的相关性，在同一ΔK时，随着R增大，TA15合金的疲劳裂纹扩展速率提高，这与该合金的断裂机理有关。从断裂形貌上可以看出当R较小时，二次裂纹分叉多且深，这些二次裂纹分散了主裂纹尖端的应力场，使主裂纹扩展过程所消耗的总能量增大，降低了主裂纹扩展的速率[20]。因此，小的应力比R有利于提高TA15合金的疲劳裂纹发生稳态扩展和失稳所需的应力强度因子ΔK，降低扩展速率。另外，从Forman公式可知，在相同应力强度因子幅ΔK的条件下，随着应力比R的增大，da/dN增大，即疲劳裂纹扩展速率加快。即式（4）：

式中：C和m是材料常数，R是应力比，Kc是断裂韧度。

本实验研究有效的证明了Forman公式的适用性。

3 结论

（1）在应力比R = 0.1到0.5的范围内，随着R的增大，da/dN-ΔK曲线向低ΔK方向移动，裂纹扩展对应的应力强度因子ΔK范围和疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth都减小。

（2）TA15合金的da/dN-ΔK曲线与应力比R有很强的相关性，在同一ΔK时，随着R增大，TA15合金的疲劳裂纹扩展速率提高。

（3）在 R = 0.1，0.3和 0.5条件下，TA15合金疲劳裂纹稳态扩展区的断口均由疲劳台阶和二次裂纹组成，且随着R增大，断口表面粗糙度增加，但二次裂纹减小。试样的疲劳断裂均表现为穿晶模式。

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