Ti_6Al_4V鈦合金長壽命疲勞試驗

1、Vol 31 Nq 5Sqi 2009第31卷第5期南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2009年 9月JOURNAL OFNANJ NG UN NzERSrTYOF TECHNOLOGY (Natural Science Editbn) dot IQ 3969/j issn 1671 7627. 2009. OS 004Ti-6A1-4V賴煥生，李煜佳,軒福貞涂善東（華東理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海200237）:研究了 TEA17V在室溫空氣環(huán)境下的疲勞性能.獲得疲勞壽命為10下的Goodnan曲線結(jié)果表明用簡 化的Goodnan直線代替Goodnan曲線對于TI-6A1-4V鈦合金偏干保守

2、對斷口形貌的觀寮表明應(yīng)力比R在0附近 時裂紋萌生于內(nèi)部而當(dāng)應(yīng)力比接近1和丨時裂紋萌生于表面另外研究了倍算TH5A17V在不同應(yīng)力比的疲勞 強度估算公式得出Ti-6AHV厚板和擠壓件缺口試樣估算公式的茶數(shù).分別為1-422和1.32:Ti-6AHV鈦臺金；Goodman曲線：高周疲勞強度:TG11I.8: TG146.2: A: 1671 7627（2009）05 - 0015 05H雖h cycle fatue h Ti-6A 1-4V titan kun alloyLA I Huan-sheng. L I Yu-jia, XUAN Fu-zhen. 1U Shan-dong(School o

3、iMechanical and Power Engmeering. East China University of Science and Technology Shangliai 200237. China)Abstract: Fatigue tests were conduclcd in Ti-6A 1-4V at air ahiojphcrc and rxtii laiipenitureandiagnm of Ti-6A 1-4V was acquired in high-cycle of 10 The result shows that Goodman straight line o

4、f Ti*6A 1-4V litaniim alby is more conservative than Goodman curve The fracture surfaces of the fatigued specinen showed that fatigue cracks ahiost initiate fium material inside by the stiuss ratb R aiound th while on the surface by R aiound - 1 or 1. The fomula for cstinatuig fatigue strcngtli of T

5、i-6A 1-4V at diflcrenl stress nubs was pn)posed, alsa Results reveal that the esthi a ting fomiuki coefficients thick plant and ccmpresbn jpechiens with notch of Ti-6A 1-4V ai? 1.422 and 1.042Key words： Ti-6A 1-4V titan inn alby; Goochian diagnin; high cycle latigue strengdi© 1994-2009 China Ac

6、ademic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, Vol 31 Nq 5Sqi 2009© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, Vol 31 Nq 5Sqi 2009Ti-6A HV鈦合金在氯化物、氫氧化物和硫化物 等工作環(huán)埴中不會產(chǎn)生點蝕且具有質(zhì)量輕、強度 髙、疲勞性能好等優(yōu)點因而廣泛應(yīng)用干汽車、航空 航天、化工和海洋等領(lǐng)域當(dāng)其用干受各種不同應(yīng)力 比作用的疲勞環(huán)埴時.應(yīng)該用等

7、壽命曲線或Good- man曲線進行抗疲勞設(shè)計因而需要研究其Good- man曲線或等壽命曲線.國外研究了 TZAH4V鈦合 金在不同應(yīng)力比、頻率和熱處理等條件下的髙周疲 勞強度并得出了相應(yīng)的Goodnan曲線國內(nèi)對 等壽命曲線的研究相對較晚.1981年北京航空材料 研究所研究了 Ti-6A 1MV鈦臺金光滑和缺口試樣在 不同應(yīng)力比的疲勞強度'4, ； 1999年鐵道科學(xué)研究院 會同11個鐵路院校和工廠.首次通過試驗繪制出了 我國鐵路常用材料修正的Gooan曲線圖5，;2002 年頊影等詳細(xì)介紹了修正的Goodnan曲線圖的 繪制；2005年趙永翔等也介紹了相似的方法.對 TZAH4V

8、鈦合金Goodnan曲線的研究較少.因Ti- 6A EV鈦合金的疲勞強度在不同生產(chǎn)方式和熱處 理等情形下會有很大的不同，國外Goodnan曲線不 一定適用于國產(chǎn)Ti-6A 1-4V鈦臺金.為了更深入地© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, Vol 31 Nq 5Sqi 2009© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, V

9、ol 31 Nq 5Sqi 2009:2009 -05 - 03:國家自然科手莖僉口助頂目（20576055）禎煥生（1983）.男福建龍巖人碩士生.主要硏究方向為我勞斷裂:菇福貞（聯(lián)丟人）教授.E-mait lzxuan ecusl edu cn© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 16南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）第31卷認(rèn)識國產(chǎn)Ti-6A h4V鈦合金的疲勞性能和進行抗疲 勞設(shè)計，本試驗對TMA1TV鈦合金在室溫空氣環(huán) 埴下疲勞壽命為心的Goodn

10、an曲線進行了研究, 并對利用應(yīng)力比為1的疲勞強度和抗拉強度估算 Ti-6A HV鈦合金在不同應(yīng)力比的疲勞強度估算公 式進行了研究.試驗選用的材料為TMA17V鈦合金棒材，其 在室溫空氣環(huán)墳中的抗拉強度為932. 17 MPa合金 的顯微組織如圖I所示（放大倍數(shù)均為2 00（）倍）. 片層丸度大約為34Um> 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, #南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）第31卷> 1994-2009 China Academic Journal

11、Electronic Publishing House. All rights reserved, #南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）第31卷佃）縱截面（Z橫戲面> 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, #南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）第31卷y-試輸?shù)贸龅腉oodman曲線簡化的Coodmanjf線150 300 450 600 750 900 I 050 平均應(yīng)力/MPa3 TrAHVGoochi an1 TH>AHVFiji 1 M rrostruct

12、ure of TrtkhIV allov高周疲勞試驗的試樣形狀和尺寸如圖2所示， V （和 3表示試樣表面的光潔度試樣用砂紙打磨 拋光拋光后試樣未作消應(yīng)力處理直接用干試驗試 驗在室溫空氣環(huán)壇中、頻率約為107 Hz的H-G-100C 徹機控制高頻拉壓疲勞試驗機上完成采用升降法得 出Ti-6A 1-4V鈦合金在疲勞壽命為10、應(yīng)力比R分 別為1、0. （x 0. 1和0.6的疲勞強度.F朝 3 Goodnan cunes of TrbAHN' allov> 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. A

13、ll rights reserved, #南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）第31卷> 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 17南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）第31卷V37940961102(: mm)F© 2 1) mensions of simple used h hghpyclc la kslhg2 1 Gxxkn an試驗得到的C3oodnan曲線見圖3對比2條曲 線發(fā)現(xiàn)對于Ti-6AMV鈦合金棒材用簡化的 Goocknan直線代替試驗得出的Gx

14、xlnan曲線偏于 保守因此.工程上用簡化的Gxxhan直接代替試 驗得出的Gndnan曲線偏于安全.2 2試驗測試了應(yīng)力比分別為I、-0.6、0.1和 6 6的疲勞強度隨著應(yīng)力比的不斷増大,Ti-6A 1TV 鈦合金疲勞強度數(shù)據(jù)的分散性也不斷増大應(yīng)力比 較小時如應(yīng)力比為1和0.6時，只需取3個應(yīng) 力等圾.且應(yīng)力等級的増量僅為5MPa圖4是應(yīng)力 比為0.6的升降圖.其中各點的數(shù)值由試驗得出 的最大應(yīng)力除以屈服強度得到（圖5也做了同樣的 處理）疲勞壽命在這些低應(yīng)力比下對應(yīng)力的變化 較大.應(yīng)力僅僅長變化幾個MPa就會使疲勞壽命發(fā) 生大的變化即疲勞壽命對應(yīng)力的變化較敏感而應(yīng) 力比為O1和66時分別取

15、了 4個和6個應(yīng)力等 級.且應(yīng)力等級的增量達到lOMPa圖5是應(yīng)力比 為0.1的升降圖，疲勞壽命在這些應(yīng)力比下對應(yīng)力 的變化較緩慢應(yīng)力變化較大時疲勞壽命的變化并> 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, #南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）第31卷> 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第5期賴煥生等:T1-6AHV鈦臺金長壽命疲勞試

16、驗4 R = - 0. 6 TrtAHVFg 4 Up-down dtogram of TrtAHV aUoy( R = - 0. 6)試樣編號5 R =0.1 TrAHVF轉(zhuǎn) 5 Up-down diigrani of Tr6Al-4V alk)y( R =0. 1)2.3比較不同應(yīng)力比的試樣斷口發(fā)現(xiàn)應(yīng)力比為-1 和0.6的疲勞裂紋起源于表面.裂紋由表面向內(nèi)部 擴展，見圖6（圖中的黑點為斷口污染物）.而應(yīng)力 比為0.6、（）.3和（）.1時分別距離表面約230、 430、34（屮m處為疲勞裂紋起裂源見圖7.起裂源為 一白色亮區(qū)能譜分析發(fā)現(xiàn)鐵含量偏高隨著與疲勞 源距離的増大斷面粗糙度増大疲勞裂

17、紋呈放射狀 由源區(qū)向四周擴展對圖6（b）的H和圖7（b）的N 分別放大2. 2萬倍和1.8萬倍.可見清晰的疲勞輝 紋如圖8所示.金屬疲勞強度的估算方法有很多.主要有Gxxi man直線、Gerber拋物線和Soderbe宦直線等它們都 是利用應(yīng)力比為-1的疲勞強度和抗拉強度時于脆 性材料）或屈服強度時于塑性材料）估算材料在不 同應(yīng)力比的疲勞強度然而它們的精確性不髙尤其 是對T1-6AHV鈦合金疲勞強度的估算誤差更大.T 遂棟等山用公式（1）估算了 TV6AEV鈦合金在不同 應(yīng)力比的疲勞強度發(fā)現(xiàn)其誤差較大.© 1994-2009 China Academic Journal Elect

18、ronic Publishing House. AH rights reserved, 第5期賴煥生等:T1-6AHV鈦臺金長壽命疲勞試驗5(M) p.n)I.H! n>m (l>) RZ66 THiAHVF轉(zhuǎn) 6 Fatigue fractogniphs hduced by surface crack hitiittm for TF6AI-4V alloy200 p.m500 pm2 mm() R=-0.6(h) /?=-0.3(r) AM). I© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House

19、. AH rights reserved, 第5期賴煥生等:T1-6AHV鈦臺金長壽命疲勞試驗© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. AH rights reserved, 第5期賴煥生等:T1-6AHV鈦臺金長壽命疲勞試驗7 TrtAHVF© 7 Fatue fnictogniphs hduced by hlemal crack httHlioii for THAMV alby© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publ

20、ishing House. AH rights reserved, 第5期賴煥生等：Tb6AZV鈦臺金長壽命疲勞試驗#5© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第5期賴煥生等：Tb6AZV鈦臺金長壽命疲勞試驗#F© 8 Fat|;ue striiti>n of H and N5© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights res

21、erved, 第5期賴煥生等：Tb6AZV鈦臺金長壽命疲勞試驗#5© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第5期賴煥生等：Tb6AZV鈦臺金長壽命疲勞試驗#O A =（/ +（1 &）I（1 +R）/2gObh（1）fl R . L¥ Q bh式中O . L、為疲勞壽命為N、應(yīng)力比為1的最大應(yīng) 力；。bh為材料或試樣的抗拉強度:o A為疲勞壽命為 N、應(yīng)力比為/?的最大應(yīng)力.法宇航公司根據(jù)Ti-6AHV鈦合金的試驗結(jié) 果給出了 Ti-6A

22、MV鈦合金等壽命曲線公式'（ 0-63sro= 1 - V S.t（2） 式中:S.為材料的平均應(yīng)力；久為材料的抗拉強度； Sc為Sg對應(yīng)的應(yīng)力幅或疲勞強度：S為應(yīng)力比為1的應(yīng)力幅或疲勞強度研究發(fā)現(xiàn)這一公式并不 能用干估算所有TrtAMV鈦合金的疲勞強度.因而把這一公式改寫成XX S°v =1 ¥ S. I（3）J訕式中:a由試驗得出：幾、為疲勞壽命為N的平均應(yīng) 力：Ss為Sm、對應(yīng)的應(yīng)力幅或疲勞強度對干不同種 類的T1-6A1-4V鈦合金如薄板、厚板、擠壓件等，只 要a取值適當(dāng)，S,就有相當(dāng)好的精確性.3. 1引用文獻7的Ti-6A 1-4V鈦合金厚板和擠壓 件缺

23、口試樣試驗數(shù)據(jù).研究得出它們的CI值分別為 1.422和1.042.把式（3）估算出的數(shù)據(jù)和丁遂棟 等估算出的數(shù)據(jù)與試驗值對比見表1.5© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第5期賴煥生等：Tb6AZV鈦臺金長壽命疲勞試驗#5© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第5期賴煥生等：Tb6AZV鈦臺金長壽命疲勞試驗19

24、1 THiAHVTable 1 Tested and cakubted values for THAHV alhy notched specmensMPa壽命N!（10'周次）數(shù)值類型Tb6AF4V （厚板）的應(yīng)力比疋TfAMV （擠壓件）的應(yīng)力比臚-10.400.41 - 10.400.41試驗值400338. 1289.5215. 10計算值1400385.0340.5247.500. 1計算值2400349.7296.6216.50i昊差1046.951.032.40誤差2011.67. 11.40試驗值285260.4234.5186.30283251.3213-5157.20

25、計算值1285268. 1260211.50283271.6235.5167.400.3（厚板） 02（擠壓件）計算值2285257.7225.8172.40283254.5216.9154.40誤差107.725.525.20020.322.010.20課差202.7& 7139003.23.42.80試臉值228203.0179.5144.90234212. 1189.5144.90計算值1228203.0207.5184.20234225.4205.5154.801計算值2228211.2192.2158.70234214.9186.8137.80課差1002839.30013.

26、316.09.90誤差208.21213002.82.77. 10續(xù)表1壽命N局次）f（1 ） MorrisseyR J. McDowellDL Nicholas T Frequency and stress rati） e flee Is in high cycle fatigue of Ti 6A14V J hlemational Journal of Fatigue. 1999. 21: 679 - 685.（2 | Nicholas T. Mawell D C Evolutbn and effects of dan age in T卜 /airn>i1Y6A17V （厚板啲應(yīng)力比

27、疋TMA17V （擠壓件啲應(yīng)力比F數(shù)值類型-10.400.411-0.400.41試購值138130.2120.5107.70193173.6162124.20計算值1138105108119. 10193182175.514)010計算值2138131.6123.7107.20193180.7160.9127.40誤差10 25.2-12.511.4008.413.516.80誤差201.43.20.5007. 11I3.20試臉值110106.496.590.90159149.8138115.80計算值111080.57791.20159143.5144125.70100計算值211010

28、5.9100.989.40159150.5137.3109.40誤差10 25.91950.3006.369.90i昊差200.54.4-1.5000.70.7-6.40注：a的理論應(yīng)力隼中紊數(shù)為3: b的理論應(yīng)力隼中玉數(shù)為2. 76:試驗值為修正到平均栽荷為S.對應(yīng)的應(yīng)力福值或疲勞強度 值:計算值I為按公式（1）算出的最大應(yīng)力換算到平均栽荷為幾對應(yīng)的應(yīng)力幅值或疲勞強度值:計算值2為按公式（3） 算出的應(yīng)力幅值或疲勞強度值:誤差1為計算值I與試驗值的差:誤差2為計算值2與試臉值的差.5© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publ

29、ishing House. All rights reserved, 第5期賴煥生等：Tb6AZV鈦臺金長壽命疲勞試驗205© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第5期賴煥生等：Tb6AZV鈦臺金長壽命疲勞試驗#由表1可知.按公式（1）算出的值與試驗值相 差較大絕對值誤差大于20MPa以上的有11個.大 于lOMPa以上的有19個，最大值為51 MPa;而按公 式（3）算出的絕對值誤差大于lOMPa以上的只有4 個.且最大僅為13. 9MPa因此相對干公

30、式（1）公式 （3）具有較好的精確性.41）用Goodman直線代替試驗得出的Goodiian 曲線對干Ti-6A I-4V鈦合金偏干保守.2）在TfAITV鈦合金疲勞強度對應(yīng)力變化的 敏感性中低應(yīng)力比比髙應(yīng)力比大這要求對Ti- 6AHW鈦合金的抗疲勞設(shè)計或疲勞壽命預(yù)測時，低 應(yīng)力比的疲勞強度要比高應(yīng)力比取得更保守.3）T.-6A 1-4V鈦合金受髙周疲勞時.當(dāng)應(yīng)力比 在（）附近時裂紋起裂于內(nèi)部而當(dāng)應(yīng)力比接近1 和1時裂紋起源于表面.4）式（3）在估算Ti-6A 1-4V鈦合金的疲勞強度 時.厚板和擠壓件的系數(shù)分別為1.422和1.0426AH4V under high cycle fatigue| J . Piugress inMechanicalBe- havbr of Materials Proceedings of Q1-8.1999.3: 1161 - 1166(3 | Haribs K, Nicholas T LanningD B. Notch size eifects in HCF behavbr of TH6A1VV J . htematbnal Journal of Fatigue. 1999, 21: 643 652I 4 北京航空材料硏究所.航空金屬林料玻