【图文摘要】缺口根部半径对Ti-55531合金多层次片层组织高周疲劳性能和裂纹萌生行为的影响

2023-07-12 14:18:30 作者：材料疲劳CFS 来源：材料疲劳CFS 分享至：

缺口根部半径对Ti-55531合金多层次片层组织高周疲劳性能和裂纹萌生行为的影响

张忠^a，黄朝文^a,b,c*，许子路^a，杨江^d，龙绍檑^d，谭长生^e**，万明攀^a，刘丹^a，冀胜利^b，曾卫东^c

^a贵州大学高性能金属结构材料与制造技术国家地方联合工程实验室，贵阳 550025；

^b贵州安大航空锻造有限责任公司，安顺 561000；

^c西北工业大学凝固技术国家重点实验室，西安710072；

^d贵州理工学院材料与能源工程学院，贵阳550003;

^e西安理工大学材料科学与工程学院，西安710048

贵州大学黄朝文教授课题组前期研究发现，除显微组织外，应力或应变参数的改变，也显著影响钛合金的高周(Int. J. Fatigue., 2017,94:30-40.; J. Alloy. Compd., 2017,695:1966-1975; Mater. Sci. Eng. A, 2017,682:107-116.)和低周拉压疲劳(Mater. Sci. Eng. A, 2021,803:140505.; Int. J. Fatigue, 2022,156:106678.)的循环变形、裂纹萌生机制及疲劳寿命。但组织和缺口参数对钛合金高周疲劳损伤的协同影响机制尚不明晰。另外，片层组织是钛合金的典型服役组织，具有类似片状马氏体的多层次特征，依据尺寸从大到小依次可划分为：第一层次(原始β晶粒)；第二层次(原始β晶粒内的α集束)；第三层次(α集束内平行排列的α片)。不同层次组织对合金的强塑性、韧性有显著影响(Mater. Des., 2019, 180, 107898; Mater. Sci. Eng. A, 2019, 740-741, 121-129; J. Mater. Sci., 2021, 56, 8848-8870)，但其对疲劳损伤影响机制也尚不清楚。因此，结合钛合金多层次片层组织特征和实际构件含缺口(如轴肩、键槽等)的现象，本文设计了R= 0.75、0.34 和0.14 mm三种不同缺口根部半径试样；系统研究了不同组织层次和不同缺口根部半径对Ti-55531合金高周疲劳损伤微观机制的协同影响规律；阐明了显著影响缺口根部循环塑性变形的关键组织单元和相关的循环变形机制等。此外，采用ANSYS有限元方法，模拟研究了缺口根部应力和应变分布，进一步验证了疲劳实验分析的准确性(图1)。主要结论如下：

图1实验分析方法流程示意图

(1) 合金的循环变形由次生α片内的位错滑移和变形孪晶主导。所有缺口高周疲劳试样的主要疲劳裂纹萌生微观机制均为大量的滑移和孪晶引起的α/β界面开裂，少量粗大α次生片内部滑移带及孪晶界面开裂和少量的原始β晶界开裂。发现不同层次的显微组织对钛合金缺口高周疲劳裂纹萌生影响程度依次为：α片＞α集束＞β晶界。

(2) 随缺口根部半径的减小，应力集中系数增大，孪晶体积分数先显著增加然后恒定，滑移占比逐渐减小(图2)。当缺口根半径最小(R = 0.14 mm)、应力集中系数最大(K_t = 4)时，除了滑移和孪晶外，还产生了明显的层错(6.57%)。层错促进α/β界面开裂及α片内萌生微裂纹，是合金高周疲劳裂纹的另一重要萌生机制。

图2不同缺口状态下不同循环变形机制的占比情况

相关成果近期以《Influence of notch root radius on high cycle fatigue properties and fatigue crack initiation behavior of Ti-55531 alloy with a multilevel lamellar microstructure》为题已在J. Mater. Res. Technol. 2023，24：6293-6311期刊上发表。该成果获得了国家自然科学基金(51801037和52061005)的资助。

免责声明：本网站所转载的文字、图片与视频资料版权归原创作者所有，如果涉及侵权，请第一时间联系本网删除。