高载荷作用下Ti6242钛合金低周疲劳和保载疲劳损伤行为分析

高载荷作用下Ti6242钛合金低周疲劳和保载疲劳损伤行为分析张明达, 曹京霞, 隋 楠, 周 毅, 黄 旭（中国航发北京航空材料研究院 先进钛合金航空科技重点实验室，北京 100095）摘要：Ti6242作为一种力学性能优异的近α型钛合金，与其他近α和α+β型钛合金类似，在接近室温时表现出保载疲劳的特征。

本研究借鉴钛合金保载疲劳敏感性随测试载荷提升而上升的变化规律，设计高载荷的低周疲劳和保载疲劳力学性能测试，结合微观组织观察、力学性能表征和断口分析，系统分析微观组织和高载荷作用下低周疲劳和保载疲劳损伤行为，建立微观组织与力学性能的联系，总结不同载荷条件下的断口特征与规律，评估高载荷测试条件下Ti6242钛合金保载疲劳敏感性，结果证明通过提高载荷来表征Ti6242钛合金的保载疲劳性能具有可行性。

关键词：钛合金；保载疲劳；高载荷；断口分析doi ：10.11868/j.issn.1005-5053.2018.000085中图分类号：TG146.2+3 文献标识码：A 文章编号：1005-5053(2019)01-0055-07钛合金具有较高强度、较低密度、极好的耐腐蚀性能和较高疲劳强度等性能特点。

近20多年来，钛合金材料和制品在不断地摸索和实践过程中，其生产技术和种类更加丰富和成熟，发展速度远超过其他金属结构材料。

作为一种高性能轻质金属结构材料，钛合金在航空航天领域得到广泛应用，其中，近α和α+β型钛合金由于具有优异的抗蠕变和抗疲劳等综合力学性能，通常被用于制备航空发动机的压气机盘、风扇及叶片等零部件[1-4]。

Ti6242是一种具有优异力学性能的典型近α型钛合金。

与其他近α和α+β型钛合金类似，Ti6242钛合金在接近室温温度区间时表现出保载疲劳的力学性能特征，即此类钛合金材料和零部件在进行连续周期载荷疲劳性能测试时，在最大载荷停留一段时间会引起疲劳寿命的明显降低[5-7]。

多起与保载疲劳相关的航空事故引起钛合金领域研究人员的关注，并在随后的研究和试制过程中增加了对保载疲劳性能的关注和考核。

一般认为，不同于常规三角波或者正弦波模拟疲劳失效过程的载荷方式，使用梯形波的疲劳波形模拟钛合金的疲劳行为更接近飞行器在服役过程中的实际载荷变化情况[8]。

目前文献资料中多使用不同种类钛合金各自80%~95%屈服强度值作为保载载荷进行保载疲劳相关性能测试，例如Mcbagonluri 等使用80%屈服强度的保载载荷对比了具有不同特征组织的Ti6242钛合金的保载疲劳性能[7]。

大部分学者使用90%~95%屈服强度值对多种金属材料进行保载疲劳相关力学性能测试和研究[9-13]。

研究结果显示出钛合金在接近屈服强度载荷条件下保载疲劳性能的规律性和重要性，但是，在较低保载载荷条件下进行钛合金梯形波保载疲劳性能测试，通常需要较长测试时间和较高测试成本，使用常规保载载荷条件下的疲劳失效周期最高可接近104周次，这意味着长达十余天的长时间测试周期和高达数万元的高测试成本[11]。

提高保载载荷除可以明显缩短测试周期并节约测试成本外，还能一定程度表征材料在实际服役过程由于超载荷使用、设计不合理等因素引起的局部高应力条件下材料失效演变过程。

本研究结合钛合金保载疲劳敏感性随载荷提升而增强的变化规律特点[12]，使用高于常规保载疲劳测试条件的载荷进行一般低周疲劳和保载疲劳测试，评估高载荷条件下Ti6242钛合金的保载疲劳敏感性，对比不同载荷大小和方式条件下的疲劳断口特征。

1 实验材料及方法所用材料为Ti6242钛合金，名义成分为Ti-收稿日期：2018-08-02；修订日期：2018-10-23基金项目：国家自然科学基金（91860106）通讯作者：张明达（1987—），男，博士，工程师，主要从事新型钢铁材料和钛合金材料研究工作，（E-mail ）159********@ 。

2019 年第 39 卷航　空　材　料　学　报2019，Vol. 39第 1 期第 55 – 61 页JOURNAL OF AERONAUTICAL MATERIALSNo.1 pp.55 – 616Al-2Sn-4Zr-2Mo ，取材于某Ti6242钛合金盘锻件，盘件相变点温度区间1015~1020 ℃。

盘件采用固溶+时效的双重热处理制度，即在相变点以下进行固溶处理，随后在595 ℃保温8 h 后空冷。

沿盘件径向方向取室温拉伸和疲劳试样，拉伸试样采用ϕ6M12圆棒试样，疲劳试样采用ϕ6M14圆棒试样，试样标记厚度方向平行排列不同位置的近表面、次表面和中心三个取样位置，如图1（a ）所示，同一位置分别取两个拉伸试样和两个疲劳试样。

一般低周疲劳实验和保载疲劳实验在室温条件下使用MTS landmark 疲劳试验机进行测试，本工作均采用高载荷931 MPa （≈95%抗拉强度）正应力控制，其中一般低周疲劳实验采用三角波波形控制，加载和卸载各1 s ；保载疲劳采用梯形波形控制，加载和卸载各1 s ，保载时间120 s ，如图1（b ）和（c ）所示。

取力学试样圆棒平行段轴向垂面进行金相试样微观组织评估，使用Zeiss 光学显微镜采集金相进行微观组织观察，使用图像处理软件标定初生α相进行相体积分数和尺寸的量化统计分析，使用FEI Novanano450场发射扫描电镜进行微观组织和断口形貌观察。

2 实验结果2.1 不同取样位置的微观组织和拉伸力学性能图2为Ti6242盘件厚度方向上不同取样位置的微观组织形貌特征，合金为典型的双态组织，白亮区域为等轴初生α相，灰色区域为β转变相。

表1为Ti6242钛合金盘锻件不同取样位置室温拉伸力学性能结果，该盘锻件径向室温拉伸的屈服强度介于850~900 MPa 之间，抗拉强度介于950~1000 MPa 之间，断后伸长率超过15%，不同取样位置的拉伸试样测试结果差异较小，取样表面的拉伸试样表现出稍低的强度和略低的塑性。

2.2 不同取样位置对应高载荷条件下低周疲劳和保载疲劳表2为Ti6242合金高载荷条件下低周疲劳和保载疲劳失效周期测试结果。

由表2可知提高载荷后低周疲劳缩短至5000~10000周次，低于869 MPa 载荷条件下的大于20000周次，保载疲劳失效周期下降更加明显，由869 MPa 载荷条件下的大于2000周次缩短至100~500周次，表现出提高载荷对疲劳寿命产生不利影响，同时显示出保载疲劳敏感性的明显增加。

不同取样位置拉伸力学性能相差不大，但是其疲劳失效周期和保载疲劳敏感性显示出规律性的变化，随取样位置由表面到心部的不同，材料的疲劳失效周期呈现增加的变化趋势，保载疲劳敏感性逐渐降低。

Radial directionAxialdirectionNear surfaceMiddle CenterLoadLoading:1 s Unloading:1 sLoadLoad holding:120 sLoading:1 sUnloading:1 s Time(a)(b)(c)图 1 实验取样及疲劳测试情况说明　（a ）试样取样位置；（b ）低周疲劳三角波波形；（c ）保载疲劳梯形波Fig. 1 Descriptions of testing specimen and fatigue testing load wave （a ）location and direction of testing specimens ；（b ）triangular load wave for low-cycle fatigue testing ；（c ）trapezoidal load wave for dwell fatigue testing50 μm 50 μm 50 μm(a)(b)(c)图 2 Ti6242合金不同取样位置显微组织　（a ）近表面；（b ）次表面；（c ）心部Fig. 2 Microstructure of Ti6242 alloy at different locations （a ）near surface ；（b ）middle ；（c ）center56航　空　材　料　学　报第 39 卷3 讨论与分析3.1 微观组织与力学性能由表面到心部过渡取样的微观组织表征结果可知（见图2），近表面的微观组织显示初生α相相对更为均匀和细小。

等轴初生α相相体积分数和截面面积统计示意图如图3所示。

由图3可以看出，随着取样位置由表面向心部变化，初生α相相体积分数呈现少量增加，由约19%上升至约23%；接近表面的微观组织包含更高比例的细小初生α相，随着取样位置由表面向心部变化，初生α相尺寸逐渐增加，表面、次表面和心部取样初生α相的截面等效平均半径分别为7.96 μm 、9.61 μm 和10.55 μm ，显示出Ti6242盘锻件在热加工和热处理过程中心部更易形成较为粗大的初生α相。

微观组织结果与拉伸和疲劳等力学性能结果显示出明显的对应关系，表面试样具有相对较低的拉伸强度和疲劳失效周期，初生α相相体积分数和相尺寸分布相对接近的次表面和心部试样具有相似的拉伸力学性能和疲劳性能，显示出较表面试样更好的综合力学性能，这与盘锻件在热加工及热处理过程中心部组织更缓慢的升温和降温过程有利于α相的析出和长大有关。

3.2 不同载荷条件下的疲劳断口特征图4为Ti6242合金室温拉伸断口与高载荷条件下保载疲劳断口照片。

由图4可知拉伸断口宏观形貌较为平坦，断口可分为中心纤维区、放射区和剪切唇区等典型区域，微观形貌显示几乎全部为韧窝状的塑性断口特征。

高载荷条件下的保载疲劳断口宏观与拉伸断口相似，存在较为明显的平坦断口和剪切唇特征，不同于室温拉伸断口，高载荷条件下的保载疲劳断口显示出平坦断口上多处白亮特征区域，高倍扫描电镜观察对应区域为中心小表 1 Ti6242钛合金不同取样位置室温拉伸力学性能（平均值）Table 1 Room temperature tensile properties of Ti6242 alloy at different locations （average values ）Location Tensile strength/MPa Yield strength/MPa Elongation/%Reduction of area/%Near surface 971.0 ± 5.7869.5 ± 14.816.6 ± 2.040.4 ± 2.3Middle 980.0 ± 7.1881.0 ± 12.718.0 ± 3.540.3 ± 1.0Center975.0 ± 7.1881.0 ± 8.518.8 ± 0.438.5 ± 2.1表 2 Ti6242钛合金高载荷低周疲劳和保载疲劳失效周期及保载疲劳敏感性Table 2 Low-cycle fatigue (N f, l ) and dwell fatigue (N f, d ) of Ti6242 alloy under high load and dwell fatigue sensitivity Location Load/MPa N f, l /cycle Location Load/MPa N f, d /cycle N f, l /N f, d Near surface 9315116Near surface 93114236.0Middle 93110663Middle 93142425.1Center9318631Center93149517.4302520151050P e r c e n t a g e /%040080012001600Section area of primary α phase/μm 2Near surface Middle Center353025201510V o l u m e f r a c t i o n o f p r i m a r y α p h a s e /%Near surface MiddleCenterLocation图 3 Ti6242合金不同取样位置显微组织统计分析　（a ）初生α相相体积分数统计；（b ）初生α相截面面积统计Fig. 3 Microstructure statistical analysis of Ti6242 alloy at different locations （a ）volume fraction of primary α phase ；（b ）section area of primary α phase第 1 期高载荷作用下Ti6242钛合金低周疲劳和保载疲劳损伤行为分析57平面和附近准解理断裂的特征断口形貌。