TC4鈦合金的疲勞裂紋擴展Walker公式上官曉峰;付小琪【摘要】InordertostudyfatiguecrackpropagationcharacteristicsofTC4titaniumalloyunderdifferentstressratios,Warkerformulawasusedtodescribethefatiguecrackgrowthrateunderthedifferentstressratios.ThefatiguecrackpropagationratesofTC4titaniumalloyweremeasuredbymeansofstandardtestmethods.Thetestloadstressratioswere0.06,0.5and0.7.ThecurvesoffatiguecrackgrowthrateofTC4titaniumalloywereplottedwithdataprocessingbyincrementalpolynomialcalculationprogram,andfatiguefracturesurfaceswereanalyzedbySEM.ThematerialconstantsintheformulaWalkerwerecalculated.Theresultsshowedthatfatiguecrackpropagationrate,namelyfatiguestripspace,increased,withtheincreasingofstressratio,whenthestressratioRwasbiggerthan0.Thematerialconstantsm,nandCintheformulaWalkerwere4.08216,-0.02391and6.96304x10-7respectively.%為了研究不同應力比下TC4鈦合金疲勞裂紋擴展特性，用Warker公式來描述不同應力比下的疲勞裂紋擴展速率.按照標準試驗方法，試驗加載應力比分別為0.06,0.5,0.7.利用遞增多項式數據處理的計算程序，繪制了鑄造TC4鈦合金疲勞裂紋擴展速率曲線，并對疲勞斷口進行掃描分析,計算Walker公式下的材料常數.結果表明，當應力比R>0時,疲勞裂紋擴展速率隨應力比的增大而增大，表現(xiàn)為疲勞條帶間距增大.計算得材料常數m為4.08216,n為-0.02391,C為6.96304x10-7.【期刊名稱】《西安工業(yè)大學學報》【年(卷)，期】2012(032)002【總頁數】4頁(P127-130)【關鍵詞】疲勞性能;疲勞裂紋擴展；Walker公式;TC4鈦合金【作者】上官曉峰;付小琪【作者單位】西安工業(yè)大學材料與化工學院，西安710032;西安工業(yè)大學材料與化工學院，西安710032【正文語種】中文【中圖分類】TG146機械零件和工程構件破壞的最主要形式之一是疲勞，在航空航天、造船、化工機械、交通運輸、工程機械等領域中，約有50%~90%以上的結構破壞是由疲勞破壞造成的[1].據美國1982年的統(tǒng)計，因疲勞斷裂引起的事故在機械結構失效中甚至占到95%以上[2].為了能精確地估算裂紋擴展壽命及采取有效措施來減緩裂紋擴展速率，需要研究影響和決定材料疲勞裂紋擴展的一般規(guī)律和影響因素，建立裂紋擴展速率的數學模型，以便能準確估算構件的壽命[3].隨著疲勞理論研究的進步，在航空航天等對疲勞性能要求很高的部門，越來越重視材料的疲勞性能方面的指標[4].目前設計主要以安全設計和損傷容限設計為準則，符合這一設計思想的材料必須具有較高的斷裂韌性KIc、較低的裂紋擴展速率da/dN和較高的疲勞裂紋擴展門檻值Kth.但國內對許多材料疲勞性能數據研究有限，尤其鑄造鈦合金疲勞性能數據不充分，影響疲勞設計和構件壽命計算.Walker公式是工程中描述應力比R對疲勞裂紋擴展速率影響的一種常用數學模型.da/dN=C[(1-R)mAK]n(R20),m,n,C為待定常數，由實驗確定.材料的微觀組織結構，循環(huán)加載的頻率的波形、環(huán)境、溫度及荷載比對t和n都有影響，但顯微組織對n的影響不明顯，對于大多數金屬而言，門值在2~4之間變化.為了研究TC4鈦合金的疲勞性能，采用標準方法測定不同應力比下的疲勞裂紋擴展速率，同時用Walker公式計算了CT4材料常數，為TC4鈦合金的工程應用提供計算依據.1試驗材料及方法1.1試驗材料試驗用材料為熔模鑄造Ti-6Al-4V(TC4)，然后在920±10°C,120MPa的壓力下進行2.5h的熱等靜壓，隨爐冷卻至300C以下出爐冷至室溫.試驗材料的化學成分見表1.表1鑄造TC4鈦合金的化學成分Tab.1ChemicalcompositionsofcastingTC4alloyTiAlVFeCNH質量分數w/%基體合金元素6.294.140.0290.0230.0100.00521.2試驗方法及設備依據GB6398-86金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法，在INSTRON8801疲勞試驗機進行試驗，試驗機靜態(tài)載荷精度＜3%。，動態(tài)載荷精度＜1%.試驗頻率匕15Hz，試驗載荷波形為三角波形.試樣為CT標準試樣，其形狀及尺寸如圖1所示.試驗加載應力比分別取0.06,0.5,0.7.圖1TC4鈦合金的CT標準試樣(B=5mm,W=40mm)Fig.1CTstandardspecimenofTC4titaniumalloy(B=5mm,W=40mm)利用JSM-840掃描電鏡對斷口進行觀察和分析，其分辨率v0.028nm，試驗條件為室溫.2試驗結果和分析2.1疲勞裂紋擴展速率根據試驗測得的疲勞壽命與裂紋長度的對應關系，采用七點遞增多項式數據處理的計算程序，利用遞增多項式方法進行局部擬合求導，以確定疲勞裂紋擴展速率和裂紋長度的擬合值[5].利用OriginPro.7.0軟件對每一應力比下的數據進行最小二乘法擬和，在對數坐標系下繪制裂紋擴展速率曲線，結果如圖2所示.圖2不同應力比下的da/dN-AK曲線Fig.2Thecurveofda/dN-△Kunderdifferentstressratios圖2是在應力比分別為0.06,0.5,0.7時所測得的TC4鈦合金的疲勞裂紋擴展速率da/dN和AK之間的關系曲線.從圖2可發(fā)現(xiàn)，裂紋擴展速率隨應力強度因子范圍AK增大而增大.同時表明在給定的AK下，隨著應力比R的增大，裂紋擴展速率也相應增大，即裂紋擴展加快.TC4鈦合金的裂紋擴展速率符合Paris公式da/dN=C(AK)n,n值隨應力比的增大而增大，所以高應力比下會產生高的裂紋擴展速率[6].2.2Walker公式下的材料常數C,n,m要精確地對構件進行損傷容限設計，估算構件的疲勞壽命，其主要依據是材料的疲勞壽命公式.而疲勞裂紋擴展速率公式經過積分變換就可成為疲勞壽命估算公式.因此，疲勞裂紋擴展速率公式是對構件進行損傷容限設計的基礎[7].關于疲勞裂紋擴展的公式有Paris公式、Forman公式及Warker公式等.工程材料常用的Warker公式為式中：m,C、n為待定常數，由試驗確定.Warker公式是描述應力比R及應力強度因子范圍AK對疲勞裂紋擴展速率da/dN的影響，利用此經驗公式可對不同應力比下的疲勞裂紋擴展速率進行計算，而Paris公式不能用于不同的應力比，F(xiàn)orman公式必須測定材料的斷裂韌度，所以Warker公式應用更為方便.文中將試驗得到的裂紋擴展速率的數據，通過數據分析和線性擬合得到了疲勞裂紋擴展速率的數學描述公式下的材料常數，即：Walker公式下的材料常數C、n、m,為對該合金構件進行精確損傷容限設計提供參考.為了由試驗數據計算Warker公式中的材料試驗常數，對式（1）兩邊取對數可得式（2）由式（2）可知，lgda/dN和lgAK成線性關系，根據CT標準試樣的疲勞裂紋擴展速率da/dN和應力強度因子幅AK的試驗數據，作出不同應力比下的裂紋擴展速率da/dN和AK之間的關系曲線，經ORiginPro7.0軟件處理后，可以得到lgda/dN和lgAK之間的擬合直線方程，其中n即為直線的斜率.將不同應力比R和對應的n值代入式（2）有當R=0.06時，當R=0.5時，當R=0.7時，其中，對于CT試樣AK有式中：AP=Pmax-Pmin（R>0）;a=a/W，且對于a>0,2表達式有效.將各個應力比下的數據da/dN和皿代入式（3）~（5），并將式（3）~（5）兩兩聯(lián)立求解，可得c和m的值.即TC4鈦合金試驗常數m、n、C值分別為4.08216,-0.02391,6.96304x10-7，因此TC4鈦合金的裂紋擴展速率的Walker公式可表達為從式(7)可以發(fā)現(xiàn)，當R20時，裂紋擴展速率隨應力比的增大而增大，這和裂紋擴展速率曲線規(guī)律是一致的.2.3斷口SEM分析疲勞斷口掃描分析如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)TC4疲勞裂紋擴展的條帶特征明顯.疲勞條帶是疲勞裂紋擴展第二階段的一主要特征，疲勞條帶是具有略呈彎曲并相互平行的溝槽花樣.材料在交變循環(huán)應力作用下，因裂紋尖端的塑性張開鈍化和閉合銳化，會使裂紋向前延續(xù)擴展.應力每循環(huán)一周期，在斷口上便留下一條疲勞條帶，裂紋向前擴展一個條帶的距離.如此反復進行，不斷形成新的條帶，疲勞裂紋也就不斷向前擴展.因此，疲勞裂紋的擴展是在應力循環(huán)下，裂紋尖端鈍銳反復交替變化的過程[8].疲勞條帶是裂紋擴展時留下的微觀痕跡，裂紋的擴展方向與條帶垂直，每一條帶可以視作一次應力循環(huán)的擴展痕跡，條帶數等于載荷循環(huán)總次數.條帶間距隨應力強度因子幅的變化而變化.應力比也是疲勞裂紋擴展影響的一個主要因素，不同的應力比下，相應的疲勞條帶間距不同，即疲勞裂紋條帶間距也會受到應力比的影響.從圖3發(fā)現(xiàn)應力比R越大，疲勞條帶間距越寬，即裂紋擴展速率越大，與裂紋擴展速率da/dN-AK曲線是一致，同時也證明了TC4鈦合金的裂紋擴展速率Walker公式可用于疲勞壽命的估算.圖3TC4不同應力比的疲勞條帶Fig.3FatiguestripofTC4titaniumalloyunderdifferentstressratios3結論1)TC4鈦合金疲勞裂紋擴展速率的數學描述公式下的材料常數值，即Walker公式下的材料待定常數值分別為n=4.08216,m=-0.02391,C=6.96304x10-7.2)TC4鈦合金疲勞裂紋擴展主要以疲勞條帶為主，隨應力比R的增大，疲勞裂紋擴展速率增大，表現(xiàn)為疲勞條帶間距增大.【相關文獻】[1]劉文才.電解低鈦鋁基合金制備的ZL108合金疲勞性能與斷裂韌性研究[D].鄭州：鄭州大學材料科學與工程學院，2006.LIUWen-cai.InvestigationofFatiguePropertiesandFractureToughnessonAlloyZL108MadefromElectrolyticLowContentTitaniumAluminumAlloy[D].Zhengzhou:SchoolofMaterialsScienceandEngineering,ZhengzhouUniversity,2006.(inChinese)[2]張華順.激光表面熔凝處理對鑄造AlSi合金的表層組織及疲勞裂紋擴展行為的影響[D].鄭州：鄭州大學材料科學與工程學院，2007.ZHANGHua-shun.EffectofLaserSurfaceMeltingontheSurfaceMicrostructureandFatigueCrackGrowthBehaviorofAl-SiCastAlloys[D].Zhengzhou:SchoolofMaterialsScienceandEngineering,ZhengzhouUniversity,2007.(inChinese)[3]陳傳堯，高大興.疲勞斷裂基礎[M].武漢：華中理工大學出版社，1991.CHENChuan-yao,GAODa-xing.TheBasisofFatigueFracture[M].Wuhan:HuazhongUniversityofScience,1991.(inChinese)[4]劉瑩，曲周得，王本賢.鈦合金TC4的研究開發(fā)與應用[J].兵器材料科學與工程，2005,28(5):47.LIUYing,QUZhou-de,WANGBen-xian.ReserchDevelopmentandApplicationofTi6Al4VAlloy[J].OrdnanceMaterialScienceandEngineering,2005,28(5):47.(inChinese)[5]GB/T6398-2000.金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法[S].中國標準出版社，2000.GB/T6398-2000.StandardTestMethodforFatigueCrackGrowthRatesofMetallicMaterials[S].StandardsPressofChina,2000.(inCinese)[6]陳迎旭，上官曉峰，馬麗.鑄造Ti-6Al-4V合金疲勞性能研究[J].鑄造，2008,50(10):1076.CHENYing-xu,SHANGGUANXiao-feng,MALi.ResearchonFatiguePropertiesofCastingTi-6Al-4VAlloy[J].Foundry,2008,