背景簡介

高(gao)(gao)(gao)溫(wen)鈦(tai)(tai)(tai)合(he)金由于(yu)在高(gao)(gao)(gao)溫(wen)下(xia)具(ju)有良好的力學性(xing)能(neng)和(he)抗氧化(hua)性(xing)能(neng)，在航空(kong)航天工業中(zhong)得到了廣(guang)泛的應用(yong)。航空(kong)發(fa)動機部件的失效(xiao)問題一直受(shou)到高(gao)(gao)(gao)度關(guan)注，特別是(shi)在超高(gao)(gao)(gao)周(zhou)疲勞（Very high cycle fatigue, VHCF）狀態下(xia)。例如(ru)，渦輪葉(xie)片和(he)葉(xie)盤(pan)在服(fu)役(yi)過(guo)程中(zhong)需要承受(shou)高(gao)(gao)(gao)溫(wen)和(he)高(gao)(gao)(gao)速，其服(fu)役(yi)壽(shou)命(ming)往(wang)往(wang)超過(guo)109周(zhou)次(ci)。本文研究(jiu)的Ti60是(shi)一種(zhong)近α型高(gao)(gao)(gao)溫(wen)鈦(tai)(tai)(tai)合(he)金，通常用(yong)于(yu)生產航空(kong)發(fa)動機葉(xie)片、葉(xie)盤(pan)等。因此，有必要對(dui)高(gao)(gao)(gao)溫(wen)環境下(xia)Ti60鈦(tai)(tai)(tai)合(he)金的超高(gao)(gao)(gao)周(zhou)疲勞裂紋萌生機理和(he)壽(shou)命(ming)預測進行研究(jiu)。

成果介紹

（1）圖1顯示了Ti60鈦(tai)合(he)金在(zai)(zai)室溫(wen)(wen)、300℃和500℃下(xia)的應力-壽命(ming)（S-N）曲線。結果表明Ti60鈦(tai)合(he)金的疲勞(lao)壽命(ming)在(zai)(zai)三(san)種溫(wen)(wen)度(du)條件(jian)下(xia)都呈現單一的線性下(xia)降(jiang)趨勢，同(tong)時隨(sui)著(zhu)溫(wen)(wen)度(du)升高(gao)，疲勞(lao)強度(du)下(xia)降(jiang)。在(zai)(zai)三(san)種溫(wen)(wen)度(du)下(xia)，Ti60鈦(tai)合(he)金存在(zai)(zai)兩種典型的失(shi)(shi)效(xiao)模式，即表面失(shi)(shi)效(xiao)和次表面失(shi)(shi)效(xiao)。疲勞(lao)失(shi)(shi)效(xiao)模式在(zai)(zai)107次循環附近發生變化，隨(sui)著(zhu)循環周次超過107，失(shi)(shi)效(xiao)模式由表面裂紋萌生轉變為次表面裂紋萌生。

圖1 Ti60在常溫、高(gao)溫下超高(gao)周疲勞試(shi)驗的S-N曲線及失效模(mo)式(shi)

（2）圖2為三種(zhong)(zhong)溫(wen)(wen)度下(xia)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)裂紋萌生(sheng)的(de)典型(xing)斷口形(xing)貌。觀(guan)察發(fa)現，導致(zhi)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)失(shi)(shi)(shi)效(xiao)的(de)機(ji)制(zhi)(zhi)包括有氧(yang)(yang)化(hua)物脫(tuo)落機(ji)制(zhi)(zhi)和微表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)缺(que)陷機(ji)制(zhi)(zhi)兩(liang)種(zhong)(zhong)，隨(sui)著溫(wen)(wen)度升高(gao)(gao)，表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)失(shi)(shi)(shi)效(xiao)機(ji)制(zhi)(zhi)由表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)微缺(que)陷機(ji)制(zhi)(zhi)轉(zhuan)變為氧(yang)(yang)化(hua)物脫(tuo)落機(ji)制(zhi)(zhi)。失(shi)(shi)(shi)效(xiao)機(ji)制(zhi)(zhi)的(de)轉(zhuan)變可(ke)能與溫(wen)(wen)度和外(wai)加(jia)應力(li)(li)幅大小有關。當(dang)溫(wen)(wen)度低(di)于(yu)(yu)或等于(yu)(yu)300℃時(shi)，在(zai)(zai)(zai)較高(gao)(gao)的(de)外(wai)加(jia)應力(li)(li)幅作用下(xia)，精加(jia)工(gong)引起(qi)的(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)微缺(que)陷會導致(zhi)應力(li)(li)集中，從(cong)而(er)引起(qi)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)失(shi)(shi)(shi)效(xiao)（圖2(a-d)）；當(dang)溫(wen)(wen)度高(gao)(gao)于(yu)(yu)300℃時(shi)，試樣(yang)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)會形(xing)成(cheng)一層(ceng)(ceng)較厚的(de)脆性氧(yang)(yang)化(hua)層(ceng)(ceng)（圖2(e-f)），在(zai)(zai)(zai)較高(gao)(gao)的(de)外(wai)加(jia)應力(li)(li)作用下(xia)，氧(yang)(yang)化(hua)層(ceng)(ceng)容易破裂和脫(tuo)落，形(xing)成(cheng)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)缺(que)陷，從(cong)而(er)導致(zhi)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)失(shi)(shi)(shi)效(xiao)。然而(er)在(zai)(zai)(zai)低(di)應力(li)(li)作用下(xia)，無論是室溫(wen)(wen)還(huan)是高(gao)(gao)溫(wen)(wen)，這兩(liang)種(zhong)(zhong)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)失(shi)(shi)(shi)效(xiao)機(ji)制(zhi)(zhi)所需的(de)驅(qu)動力(li)(li)都(dou)高(gao)(gao)于(yu)(yu)次(ci)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)起(qi)裂失(shi)(shi)(shi)效(xiao)所需的(de)驅(qu)動力(li)(li)，因此會在(zai)(zai)(zai)次(ci)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)產(chan)生(sheng)裂紋。

圖2 不同溫度(du)下表(biao)面失效的斷(duan)口形貌(mao)。（a）和（b）室溫（σa = 552.89 MPa, Nf = 2.3 × 106）；（c）和（d）300℃（σa = 436.18 MPa, Nf = 5.0 × 106）；（e）和（f）500℃（σa = 400.61 MPa, Nf = 5.5 × 105）

（3）圖3分別為三種溫度下(xia)次表(biao)面(mian)裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)萌(meng)(meng)(meng)生(sheng)的(de)(de)典型斷口形貌，斷裂(lie)(lie)(lie)面(mian)可(ke)以分為3個(ge)特征區(qu)(qu)(qu)，即I區(qu)(qu)(qu)（裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)萌(meng)(meng)(meng)生(sheng)區(qu)(qu)(qu)）、II區(qu)(qu)(qu)（裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)穩定(ding)擴(kuo)展(zhan)區(qu)(qu)(qu)）和III區(qu)(qu)(qu)（裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)快(kuai)速(su)擴(kuo)展(zhan)區(qu)(qu)(qu)）。區(qu)(qu)(qu)域(yu)I由(you)多(duo)個(ge)連續(xu)小(xiao)刻(ke)面(mian)組成(cheng)，本文將其定(ding)義為超大刻(ke)面(mian)（Oversized facet, OF）。通過比較不(bu)同溫度下(xia)I區(qu)(qu)(qu)的(de)(de)形貌，可(ke)以發(fa)現次表(biao)面(mian)裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)萌(meng)(meng)(meng)生(sheng)的(de)(de)機(ji)制是相同的(de)(de)，都是以OF的(de)(de)形式起(qi)裂(lie)(lie)(lie)，表(biao)明溫度對(dui)次表(biao)面(mian)裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)萌(meng)(meng)(meng)生(sheng)機(ji)理沒有影響。

當(dang)αp團(tuan)簇中的(de)一個晶粒(li)解理(li)形成微裂(lie)紋(wen)(wen)時(shi)，微裂(lie)紋(wen)(wen)很容(rong)易進入相鄰晶粒(li)，當(dang)相鄰晶粒(li)足夠多(duo)時(shi)，微裂(lie)紋(wen)(wen)會直接(jie)形成主裂(lie)紋(wen)(wen)。從斷(duan)口表面看，主裂(lie)紋(wen)(wen)是由(you)多(duo)個連續的(de)小刻面組成的(de)OF（圖4）。

圖3 不同溫度下次(ci)表面裂紋萌生的斷口形貌。（a）和（b）室溫（σa = 518.07 MPa, Nf = 3.4 × 108）；（c）和（d）300℃（σa = 414.55 MPa, Nf = 4.0 × 107）；（e）和（f）500℃（σa = 384.15 MPa, Nf = 2.5 × 107）

圖(tu)(tu)4 OF起(qi)裂(lie)(lie)機理示意圖(tu)(tu)。（a）αp晶(jing)粒解(jie)理；（b）αp團(tuan)簇微(wei)裂(lie)(lie)紋擴展(zhan)；（c）微(wei)裂(lie)(lie)紋擴展(zhan)為主裂(lie)(lie)紋

（4）提出了一種預測不(bu)同(tong)溫(wen)度(du)下裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)擴(kuo)展(zhan)(zhan)的特征(zheng)區(qu)大小及特征(zheng)區(qu)尖(jian)端(duan)應(ying)力(li)強(qiang)度(du)因子幅(fu)值ΔK的方法。采(cai)用軟件ImageJ測量不(bu)同(tong)溫(wen)度(du)下試樣(yang)斷口表(biao)面I區(qu)和II區(qu)的尺寸，研究(jiu)溫(wen)度(du)對超高周疲勞性能的影響。在(zai)VHCF狀態下，通常用應(ying)力(li)強(qiang)度(du)因子幅(fu)值ΔK來描述裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)萌生和擴(kuo)展(zhan)(zhan)。區(qu)域I裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)尖(jian)端(duan)的應(ying)力(li)強(qiang)度(du)因子幅(fu)值（即(ji)ΔKI）可視(shi)為(wei)裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)穩(wen)定擴(kuo)展(zhan)(zhan)的閾(yu)值，由公式(shi)（1）計(ji)(ji)算；區(qu)域II裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)尖(jian)端(duan)的應(ying)力(li)強(qiang)度(du)因子范(fan)圍（即(ji)ΔKII）可視(shi)為(wei)裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)快速擴(kuo)展(zhan)(zhan)的閾(yu)值，由公式(shi)（2）計(ji)(ji)算。

其中，Δσ應(ying)力幅(fu)，rI和rII分別(bie)為將區域I、區域II投影到垂直于最大主應(ying)力的(de)平面上獲得的(de)區域的(de)等效(xiao)半徑。

圖5(a)和(he)(b)顯示了不同(tong)溫(wen)度(du)下(xia)rI和(he)rII隨(sui)疲(pi)(pi)(pi)勞壽命(ming)的(de)(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)。rI和(he)rII隨(sui)疲(pi)(pi)(pi)勞壽命(ming)的(de)(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)規律相同(tong)，即等(deng)效半徑越大，試樣的(de)(de)(de)疲(pi)(pi)(pi)勞壽命(ming)越長。圖5(c)和(he)(d)顯示了ΔKI和(he)ΔKII隨(sui)疲(pi)(pi)(pi)勞壽命(ming)的(de)(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)。結果表明，在相同(tong)溫(wen)度(du)下(xia)，失效試樣的(de)(de)(de)ΔKI和(he)ΔKII幾乎不變(bian)(bian)，但(dan)其值(zhi)會隨(sui)著(zhu)溫(wen)度(du)的(de)(de)(de)升高(gao)(gao)而(er)減小，這意味(wei)著(zhu)裂紋萌(meng)生和(he)擴展的(de)(de)(de)閾(yu)值(zhi)會隨(sui)溫(wen)度(du)升高(gao)(gao)而(er)降低。

圖5 （a）和（b）不(bu)同溫(wen)度下r與疲(pi)(pi)勞壽(shou)(shou)命的關(guan)系，（c）和（d）不(bu)同溫(wen)度下ΔK與疲(pi)(pi)勞壽(shou)(shou)命的關(guan)系。

（5）基于OF裂(lie)(lie)紋(wen)萌生機理(li)，提出了室(shi)溫(wen)下裂(lie)(lie)紋(wen)擴(kuo)(kuo)展(zhan)的(de)全(quan)壽命(ming)(ming)(ming)預測模(mo)型。將解理(li)形成(cheng)的(de)極小裂(lie)(lie)紋(wen)（a0）消耗的(de)壽命(ming)(ming)(ming)定(ding)義為(wei)Ni，其中a0是αp晶粒尺寸(cun)的(de)1/10。根據Miller的(de)定(ding)義（Fatigue Fract. Eng. M. 1987, 10, 75–91; Fatigue Fract. Eng. M. 1987, 10, 93–113.），認為(wei)從(cong)a0擴(kuo)(kuo)展(zhan)到區(qu)域(yu)I為(wei)微觀結(jie)構(gou)短裂(lie)(lie)紋(wen)擴(kuo)(kuo)展(zhan)（Microstructure short crack propagation, MSCP）階(jie)段，區(qu)域(yu)I擴(kuo)(kuo)展(zhan)至區(qu)域(yu)II為(wei)物理(li)短裂(lie)(lie)紋(wen)擴(kuo)(kuo)展(zhan)（Physical short crack propagation, PSCP）階(jie)段，區(qu)域(yu)II擴(kuo)(kuo)展(zhan)至區(qu)域(yu)III為(wei)長(chang)裂(lie)(lie)紋(wen)擴(kuo)(kuo)展(zhan)（Long crack propagation, LCP）階(jie)段。因此(ci)，總壽命(ming)(ming)(ming)為(wei)NTotal = Ni + NMSCP + NPSCP + NLCP（圖6）。

由于室溫下(xia)(xia)Ti60鈦(tai)合(he)金(jin)的(de)PSCP階(jie)段(duan)壽(shou)(shou)(shou)命(ming)(ming)(ming)和LCP階(jie)段(duan)壽(shou)(shou)(shou)命(ming)(ming)(ming)大約只占總(zong)疲勞壽(shou)(shou)(shou)命(ming)(ming)(ming)的(de)0.2%，并且本文中的(de)a0很小，它所(suo)消耗的(de)壽(shou)(shou)(shou)命(ming)(ming)(ming)Ni可以忽略不計，因此可以認為總(zong)壽(shou)(shou)(shou)命(ming)(ming)(ming)NTotal≈NMSCP。本文用下(xia)(xia)式(shi)（3）預測室溫下(xia)(xia)Ti60鈦(tai)合(he)金(jin)在VHCF狀態下(xia)(xia)的(de)疲勞壽(shou)(shou)(shou)命(ming)(ming)(ming)。

其中，其中C和m為材料參數。

圖6 基于裂紋擴展(zhan)的全(quan)壽命示意圖

（6）提出了(le)一種(zhong)考慮材料性(xing)能退(tui)化的(de)高(gao)溫預(yu)測模型，如式（4）。預(yu)測結果表明，該模型能較好(hao)地預(yu)測不同(tong)溫度下Ti60鈦合金的(de)疲勞壽命，預(yu)測結果在3倍誤差帶以內(nei)（圖7）。

圖(tu)7 Ti60鈦合金試樣在不同溫度(du)下(xia)的預測壽命

致謝

該研究(jiu)工作(zuo)得到了(le)國家自然(ran)科學基金和(he)國家科技(ji)重(zhong)大專項資助。本(ben)文第(di)一作(zuo)者(zhe)：陳超林，通訊(xun)作(zuo)者(zhe)：尚德廣（北京(jing)工業大學）。

關于中國結構完(wan)整性聯(lian)盟(meng)

中國結構(gou)(gou)完(wan)(wan)整(zheng)性(xing)(xing)聯(lian)盟是(shi)一個非營利性(xing)(xing)學(xue)(xue)(xue)術組織(zhi)，致力(li)(li)于(yu)結構(gou)(gou)完(wan)(wan)整(zheng)性(xing)(xing)領(ling)域的(de)學(xue)(xue)(xue)術交(jiao)流、科(ke)學(xue)(xue)(xue)研(yan)究、工程應用(yong)和(he)知識(shi)傳播，其(qi)歷史(shi)可追溯(su)到2002年，最初的(de)發(fa)起單(dan)位是(shi)幾(ji)所長期從(cong)事結構(gou)(gou)完(wan)(wan)整(zheng)性(xing)(xing)特別(bie)是(shi)壓(ya)力(li)(li)容器及管道安全技術合(he)作研(yan)究的(de)高校和(he)科(ke)研(yan)院(yuan)所。2003年，在上海召開首屆(jie)國際斷(duan)裂(lie)力(li)(li)學(xue)(xue)(xue)（FM）學(xue)(xue)(xue)術研(yan)討會(hui)(hui)。隨著學(xue)(xue)(xue)科(ke)及其(qi)應用(yong)領(ling)域的(de)拓(tuo)(tuo)寬(kuan)，2010年，FM系列(lie)會(hui)(hui)議(yi)拓(tuo)(tuo)展(zhan)為國際結構(gou)(gou)完(wan)(wan)整(zheng)性(xing)(xing)學(xue)(xue)(xue)術研(yan)討會(hui)(hui)（International Symposium on Structural Integrity，ISSI），各成員(yuan)單(dan)位輪(lun)流承(cheng)辦。2012年11月，經中國機械工程學(xue)(xue)(xue)會(hui)(hui)材料分(fen)(fen)(fen)會(hui)(hui)、壓(ya)力(li)(li)容器分(fen)(fen)(fen)會(hui)(hui)和(he)失效分(fen)(fen)(fen)析分(fen)(fen)(fen)會(hui)(hui)充(chong)分(fen)(fen)(fen)討論與(yu)(yu)協商(shang)，決定聯(lian)合(he)發(fa)起“中國結構(gou)(gou)完(wan)(wan)整(zheng)性(xing)(xing)聯(lian)盟”（China Structural Integrity Consortium, CSIC）。結構(gou)(gou)完(wan)(wan)整(zheng)性(xing)(xing)是(shi)跨(kua)學(xue)(xue)(xue)科(ke)、跨(kua)領(ling)域的(de)新興學(xue)(xue)(xue)科(ke)領(ling)域，研(yan)究不同尺度結構(gou)(gou)在復雜環境及載荷(he)下的(de)承(cheng)載能(neng)(neng)力(li)(li)、壽命(ming)與(yu)(yu)可靠(kao)(kao)性(xing)(xing)，致力(li)(li)建(jian)立并優化產品全壽命(ming)過(guo)程的(de)安全與(yu)(yu)可靠(kao)(kao)性(xing)(xing)評價標準(zhun)與(yu)(yu)法(fa)規(gui)，服務于(yu)能(neng)(neng)源（油氣、電力(li)(li)、核能(neng)(neng)、可再(zai)生(sheng)能(neng)(neng)源…）、航空(kong)航天與(yu)(yu)航海、微電子制造(zao)、化工、材料、冶(ye)金(jin)、環境、土木等工程領(ling)域。

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