Fatigue+small+crack+behavior+of+Ti-6Al-4V+alloy

T-i 6A-l 4V钛合金疲劳小裂纹 扩展行为的研究 胡本润

吴学仁

丁传富 (北京航空材料研究院, 北京 100095) 摘要 : 对两种热处理状态的 T-i 6A-l 4V 锻件钛合金的疲劳小裂纹扩展行为进行了研究。使用应 力强度因子范围
K 对小裂纹和长裂纹的扩展速率进行关联。结果明,恒幅载荷 R= 0 和 R = - 1下两种材料都表现出小裂纹效应, R= - 1 下的小裂纹效应尤为明显。在相同应力比下对 两种状态材料的小裂纹效应进行对比发现,应力比 R= - 1 下,两种状态材料的小裂纹扩展行为 非常相似。应力比 R= 0 下,片层宽度较小的材料表现出的小裂纹效应较明显。 关键词: 小裂纹; T-i 6A-l 4V 钛合金; 片层组织结构 中图分类号: TG146. 2; TG115. 5 文献标识码: A 文章编号: 1005-5053( 2000) 03-0033-05

近二十年来许多学者在不同条件下都发现了小裂纹现象[ 1, 2]。他们得出的共同结论 是:在相同的名义
K 值下小裂纹一般显现出更高的扩展速率; 在由长裂纹试验确定的材料 疲劳裂纹扩展门槛值
K th以下,小裂纹仍然能扩展。因此, 如果直接使用由长裂纹试验得 到的裂纹扩展数据来估算小裂纹阶段的疲劳寿命, 则会导致偏于危险的寿命估算结果。由 于钛合金具有较好的综合力学性能,目前被广泛应用于航空发动机压气机叶片等关键部位。 深入研究钛合金中疲劳小裂纹扩展行为,对损伤容限和疲劳寿命的合理估算具有重要 意义。考虑到晶粒尺寸对小裂纹扩展行为的影响[ 3] ,在本研究中选择了两种热处理对 T-i 6A-l 4V锻件钛合金进行了处理。获得了具有相似的片层组织结构, 但
片层宽度有一定 差别的两种状态材料。分别对其进行恒幅载荷下不同应力比的小裂纹扩展试验, 以研究应 力比和不同晶粒尺寸对小裂纹扩展行为的影响。 1
试验方法 1. 1
材料

T-i 6A-l 4V锻件钛合金,分别采用两种热处理制度(表 1)。热处理后获得的两种状态材 料具有相似的片层组织结构, 不同的晶粒尺寸。为方便叙述, 将两种状态材料分别记作 A 状态和B状态。图 1为 A和 B状态材料的金相组织照片,表 2为A 和B状态材料的晶粒尺

收稿日期: 2000-06-04; 修订日期 : 2000-07-07

作者简介: 胡本润( 1972- ) , 女, 硕士。 第 20 卷
第 3 期 2000 年 9 月




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报 JOU RNAL OF AERONAUT ICAL MATERLALS


Vol. 20, No. 3 September 2000 寸比较,二者原始
晶粒尺寸比较接近, 而片层宽度相差较大。其中 A 状态的片层宽度约 是 B状态的 3倍。 1. 2
试验

分别对两种状态材料进行长裂纹扩展试验和门槛值试验,采用中心裂纹试样( CCT) , 试 验结果用于与小裂纹试验结果进行对比。

分别对两种状态材料进行小裂纹扩展试验。试样为单边缺口试样( SENT )。试验载荷 选用疲劳中寿命载荷水平( R= 0,
max= 300MPa; R= - 1,
max= 200MPa)。采用复型法对 缺口表面的小裂纹进行观测。每隔一定时间对试样缺口表面复型一次。记录相应循环次数 和裂纹长度。 表 1
两种热处理制度 Table 1
Two kinds of heat tr eatment M icrostructure Heat treatment A 1060
1h, F. C. B 1060
1h, A . C. , 900
1h, F . C. 表 2
A 和 B状态材料平均原始
晶粒尺寸和平均片层宽度 T able 2
Large prior-
g rain size and width of lamellar M icrostructure W idth of lamellar /
m Large prior-
gr ain size /
m A 6. 35 668. 42 B 2. 11 433. 13 图 1
T-i 6A-l 4V 合金的显微组织 ( a) A 状态; ( b) B状态 Fig . 1
Microstructures of T-i 6A-l 4V alloy ( a) microstructure A; ( b) microstructure B 34












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第 20卷 2
试验结果与讨论 2. 1
应力比对小裂纹效应的影响

应力比 R= 0下小裂纹萌生期较长, 约占总寿命的 60%~ 70%,而应力比 R= - 1下裂 纹萌生较早,约占总寿命的 20% ~ 30%。使用应力强度因子范围
K 对长裂纹和小裂纹的 扩展速率 da/ dN 进行关联, 如图 2, 3所示。可以看出,应力比 R= 0下, A和 B状态材料的 小裂纹效应不十分明显(图 2) , 而在负应力比 R= - 1下, A和 B状态材料都表现出了明显 的小裂纹效应, 在相同应力强度因子范围下小裂纹的扩展速率明显高于长裂纹(图 3)。这 是由于裂纹闭合的作用。裂纹闭合是指位于扩展裂纹尖端尾部的相对两裂纹面的提前接 触。由于存在裂纹闭合效应,裂纹尖端有效应力强度因子范围
K eff与名义(远场)
K 之间 存在显著差别, 这种差别与应力比 R有关,较低的 R比条件下,裂纹闭合现象表现得更为明 显。小裂纹阶段,裂纹尖端尾迹的长度极为有限。因此,裂纹闭合水平较低, 裂纹有效应力 强度因子范围
K eff与名义
K 之间差别较小。随着裂纹长度的增加, 裂纹闭合程度提高, 图 2
R = 0下两种状态材料的小裂纹 da/ dN-
K 变化关系 Fig . 2
Small crack grow th rates against
K for T-i 6A-l 4V alloy at R= 0 图 3
R = - 1 下两种状态材料的小裂纹 d a/ dN-
K 变化关系 F ig. 3
Small cr ack growt h rates against
K for T-i 6A-l 4V alloy at R= - 1 35第 3期






T-i 6A-l 4V 钛合金疲劳小裂纹扩展行为的研究 裂纹尖端实际有效
K eff远远低于名义
K。因此,使用名义
K 来描述裂纹扩展行为, 必 然会出现相同名义
K 作用下小裂纹的扩展速率高于长裂纹。 2. 2
两种热处理状态材料的小裂纹效应比较

A和 B状态微观组织的主要差别是片层的宽度, A 状态片层宽度约是 B 状态的 3 倍。 应力比不同微观组织对小裂纹效应的影响也不同。对两种状态材料的小裂纹效应进行对比 发现,应力比 R= 0下, B状态表现出的小裂纹效应比 A状态明显, 两者的差别主要集中在 低应力强度因子范围处, 在低
K 处 B状态的小裂纹数据较多。通过对试验数据的对比发 现,在相同载荷水平作用下,采用相同的复型间隔, A状态平均首次发现的裂纹长度较长, 约 是B 状态的 4倍( A状态 332
m; B状态 80
m)。这表明在小裂纹扩展初期, A 状态的小裂 纹扩展很快, 难以捕捉到非常短阶段的裂纹,使得 A 状态缺少在低
K 处的小裂纹数据。 研究发现, 晶粒边界对小裂纹扩展有阻碍作用[ 4, 5]。小裂纹扩展初期,片层的边界对裂纹扩 展有阻碍作用。B状态的片层宽度较小,边界对初期小裂纹扩展的阻碍较多,裂纹扩展速率 较慢。因而首次发现的裂纹长度较小。这说明应力比 R= 0下, 片层宽度对初期小裂纹的 扩展有影响(裂纹长度约在 10个片层宽度以内)。随着裂纹长度的增加,片层边界对小裂纹 扩展的阻碍作用逐渐减弱。 应力比 R= - 1下, A和 B状态的小裂纹效应很相似。首次比较发现, 裂纹的长度分别 为A状态 86
m; B状态 77
m。表明在 R= - 1下, 片层宽度的差异对小裂纹阶段的扩展行 为影响较小。研究发现[ 6, 7] , 滑移是钛合金小裂纹萌生和早期扩展的主要机制, 负应力比 下,由于滑移面的往复运动,加剧了滑移面之间的相互错动, 因而裂纹萌生较早。但由于负 应力比下试验选用的最大应力较小(本文 1. 2试验方案) , 裂纹扩展过程中穿越阻碍的能力 较弱, 片层边界对早期裂纹扩展的阻碍较大。具有较大片层宽度的 A状态在这一应力比下 的早期小裂纹的扩展速率较慢,因而试验中容易捕捉到较小阶段的裂纹。 3
结
论

( 1) 应力比 R= 0, R= - 1下, 两种状态钛合金都表现出小裂纹效应,负应力比 R= - 1 下尤为明显。 ( 2) 应力比 R= 0下,片层宽度对早期小裂纹的扩展有影响,片层较宽的材料中早期小 裂纹的扩展速率较高。 ( 3) 应力比 R= - 1下, 片层宽度对小裂纹阶段的扩展影响较小, 两种状态材料在这一 应力比下的小裂纹扩展行为相似。 参考文献: [ 1]
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WU Xue-ren

DING Chuan- fu ( Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China) Abstract: Small crack grow th tests were carried out on T-i 6A-l 4V forge alloy w ith tw o kinds of microstructures prepared by different heat tr eatments. Small and long fatigue cr ack g rowth rates, da/ dN , are presented against t he str ess intensity range,
K . The results show ed the classic small crack effects for the bo th kinds o f m-i crostructures under constant- amplitude loading and that the small cr ack effect was more pronounced at R= - 1. Compared the small cr ack effects of tw o kinds of microstr uctures at t he same stress ratio, R. It shows that the small cracks effects fo r both micr ostructur es are same at R= - 1. However, at R = 0, it is show more pr o- nounced small crack effect for the microstructure w ith finer grain size. Key words: small cr ack; T-i 6A-l 4V allo y; lamellar microstr ucture 37第 3期






T-i 6A-l 4V 钛合金疲劳小裂纹扩展行为的研究