文摘

钛的含量约为0.63%在地壳中,它排名第十的所有元素。钛的内容旁边的金属元素铝、铁、镁、铁、镁;钛合金具有低密度、高的比强度(抗拉强度比密度),工作范围宽(−253°C - 600°C),熔点和优良的耐腐蚀性能;钛合金的化学活性非常高,而且容易与氢反应,氧,氮,所以很难进行熔炼和加工,以和处理成本高。钛合金还可怜的导热系数(只有1/5的铁和铝的1/15),变形系数小,摩擦系数大等特点。被广泛应用于飞机机身、燃气轮机、石化、汽车工业、医学和其他领域的重要部分。

1。介绍

钛含量约0.63%在地壳中,它排名第十(所有元素1]。钛的内容旁边的金属元素铝、铁、镁、铁、镁;钛合金具有低密度、高的比强度(抗拉强度比密度)、宽工作范围(−253°C - 600°C),熔点和优良的耐腐蚀性能;钛合金的化学活性很高。它很容易与氢反应,氧气,氮气。熔炼过程,因此,它是具有挑战性的,处理成本高。广泛应用于飞机机身,燃气涡轮机,石化、汽车工业、医学和其他领域的重要部分(1]。然而,钛合金零件的高疲劳能力一直在发展和应用的一个未解决的问题(1- - - - - -5]。的high-cycle fatigue strength of Ti-6Al-4V has been studied intensely by some domestic and foreign scholars. The results show that different from low-cycle fatigue, the high-cycle fatigue crack of titanium alloy tends to be internal, and the fracture surface is circular. Some scholars believe that the process of crack nucleation mainly controls high-cycle and ultra-high-cycle fatigue failure, and the microdeformation between the soft primary一个阶段和复杂ß阶段Ti-6Al-4V利用微观结构的分析软件;结果表明,很容易形成疲劳源在柔软的初选一个阶段(6,7]。一些研究人员进行高三个不同的钛合金疲劳测试(8,9]。结果表明,钛合金的疲劳断裂表面有一个大面积的相邻的小飞机,其中大多数是在基础表面附近。它是有利于裂纹萌生的纹理方向,和加载方向15°-40°。除了高疲劳或ultra-high-cycle疲劳、内部开裂也有良好的表面质量的典型特征和残余压应力场10- - - - - -13]。钛合金的残余应力和微观结构演化造成的转动,喷丸加工,激光喷丸加工和深度轧制被广泛研究。表面强化的机理主要是由于引入残余应力、加工硬化,组织细化,降低表面粗糙度。虽然残余压应力对疲劳强度的影响已被广泛接受,大部分的研究集中在应力比的情况下R=−1.0。放松和再分配的表面残余压应力层在不同疲劳载荷比和不同应力比下对疲劳强度的影响有待研究。

在这项研究中,Ti-6Al-4V合金的疲劳试验进行了五压力比值(以下R0.3 0.6 1.0 =−−−−0.1和0.6),由车削加工和热处理消除应力;残余应力释放应力比的影响,应力比和残余应力的影响高疲劳强度疲劳断裂模式进行了研究。

2。材料

钛合金Ti-6Al-4V栏的化学成分如表所示1。Ti-6Al-4V如图的微观结构1。的体积分数一个阶段是88%,和的宽度一个薄片是3∼4μm。在室温下的屈服强度和抗拉强度882 MPa和933 MPa,分别。

准备一个光滑的轴向疲劳试样根据ASTMe466 - 2007年的形状和大小,如图2。样本处理的两种方法:将轴抛光,首先把,然后抛光,和加工过程如下:Φ15×111毫米粗灰泥φ14.2×110毫米,然后半成品φ14.04×110毫米,中间Φ5.44毫米,和R75弧,然后两端削标本,最后,与无应力热处理试样抛光,抛光除了满足尺寸要求两端如图2。试样表面粗糙度的测量值如表所示2。热处理过程如下:样品悬浮在真空炉(真空度是2.8×10⁻³PA),慢慢加热到600°C 3小时,然后慢慢冷却炉。

3所示。测试和测量的方法

Ti-6Al-4V标本的疲劳试验和残余应力和应力消除处理后的标本进行了在室温和空气,分别。疲劳强度应力比的−1.0−0.6−0.3,0.1和0.6被来来往往的方法测量。身为- 100 C微机控制高频轴向张力和压缩疲劳试验机,和加载频率120赫兹。数理统计处理的疲劳试验结果,条件疲劳极限计算存活率为50%。

的X射线衍射技术被用来测量残余应力试样的残余应力。是Proto-i Xrd使用的测量仪器。为Cu-K_α目标,射线发生器管的准直管直径是1毫米。电压是24 kV,管电流4马。衍射面{114}是固定的ψ倾斜的方法,ψ角为0°24°35°、45°,分别。选择<我> 2吗?(衍射角)是153°-161°,一步的距离是0.1°/ s,单一峰值衍射光谱慢扫描测量的方法,以不同的角度和峰值位置安装了互相关方法。根据<之间的线性拟合我> 2θ和罪恶²ψ,计算残余应力。因为的深度X射线穿透很小,只有可以测量材料表面的残余应力。因此,电解抛光腐蚀技术是用于抛光的表面样本,剥去一层一层地,然后,测量不同深度的残余应力。表面残余应力在不同循环应力比时测量R−−1.0,0.6和0.1,分别与循环荷载和残余应力的分布及其对疲劳强度的影响进行了研究。

4所示。分析测试结果

4.1。疲劳强度

第一次试样的疲劳强度高于预测的疲劳强度进行疲劳试验时上下方法,确定试验应力水平下一个标本。测试的应力比和应力增量保持不变,直到所有的测试都完成后,测试数据和一组通过还是失败了在疲劳强度波动。测试数据是搭配升序和降序方法如图3。样品是一个残余应力标本,R=−0.6,在空气环境中,在室温下。数据归一化到有效的屈服强度。根据公式(中值疲劳强度计算1),疲劳强度存活率为50%:

的公式,σ₅₀是50%的存活率的疲劳强度,米有效样本的总数,米是压力系列;υ_我压力测试的成绩吗我;和σ_我是我年级的压力水平。

根据疲劳试验结果如图4此情此景,疲劳强度值应力消失和标本在不同应力比卷入古德曼生命曲线如图5。可以看出,增加平均压力,即。,和the increase of stress ratio, the fatigue strength of titanium alloy shows a gradual decrease. The fatigue strength of the specimen without stress-relieving treatment is significantly higher than that of the treated one. However, for different stress ratios, the fatigue strength of the specimens with residual stress increased by 17.3% whenr= -1.0,但当只有3.4%r= 0.1。然而,当r= 0.6,缺乏标本表面应力约束和简单的杂质的影响和处理缺陷,疲劳裂纹通常出现在试样表面的疲劳强度值两种标本都是相同的。

4.2。观察疲劳断裂

扫描电镜观察到疲劳断裂的标本。用于减压的标本与疲劳断裂表面压力的比率R−−−1.0,0.6,0.3,0.1,和0.6,分别。疲劳裂纹从标本的表面,如图6。都可以发现,疲劳裂纹从表面的裂纹,裂纹的起源是一个明亮的白色。

发现通过观察疲劳断裂表面的残余应力试样疲劳起始的位置是不同的不同的应力比,见下表3。当应力比R−1.0和0.6,表面产生了疲劳裂纹萌生和裂纹扩展的方向从表面到内部,如图7。当应力比R−−0.6,0.3和0.1,大部分的疲劳裂纹萌生发生在内部标本的一部分,即。地下裂纹萌生,如图8。内部裂纹的起源是一个明亮的白色区域,也就是说,鱼眼区。疲劳裂纹扩展径向从源到环境。

放大图的内部断裂的来源。强烈反光的部分(箭头)的小型飞机是骨折,显示的特征物理断裂如图9。每个元素的成分能谱分析后的小型飞机裂纹萌生位置如表所示4。可以看出,铝的质量分数偏高和V的质量分数偏低,但是是最重要的一个在Ti-6Al-4V phase-stable元素。从作文的分析,可以推断,该地区主要的一个阶段。的一个阶段相比,ß阶段在Ti-6Al-4V软阶段,屈服强度很低。基地一个飞机的主要滑动面密集六角谷物。在高强度压力下,骨折和分离一个导致裂纹萌生阶段。因此,内部裂纹的成核机理Ti-6Al-4V可以考虑的底面解理断裂一个谷物。

4.3。在残余应力松弛应力比的影响

在测试期间,保持表面压缩残余应力稳定,所有样本处理的切削参数和冷却条件相同。测试后,几个样品测定,结果表明,表面的残余压应力的样品可以达到−500 - 400 MPa。样品加工后,残余应力变化与表面深度的变化,如图10。从图可以看出10样品表面的残余应力是最大的。随着深度的增加,残余应力逐渐降低,残余压应力场的深度约为70μm。在没有外力的情况下,残余应力是一个自平衡内部应力场的分布结构,包括整个范围的压应力和拉应力空间。因此,将样本是一个外层与巨大的残余压应力和核心与特定的残余拉应力。

残余应力是不稳定的整个服务期间的材料结构,和残余应力将放松,重新分配与服务过程。表面残余应力在不同周期测量通过应用负载接近10⁷周期与压力比R1.0 =−−0.6和0.1,分别。如图11表面残余应力的变化,在不同应力比下的周期数r疲劳极限载荷。疲劳试验的应力−1.0,第一个周期后的残余应力下降,与循环数的增加逐渐下降。周期数达到10时,残余应力趋于稳定和保持在−200 MPa。疲劳试验的应力比R< / I >−0.6和0.1,消除残余应力不明显,表面残余应力的值仍然高10⁷周期。可以看出,在Ti-6Al-4V加工残余应力的松弛程度取决于当地叠加应力之间的关系(初始残余应力的矢量叠加应用负载),材料的屈服强度。当一个疲劳载荷的应力比−1.0应用,试样表面的残余压应力是叠加在最低压力,当复合应力超过材料的压缩屈服强度,当地发生塑性变形。应力状态重新分配,残余应力松弛。当平均应力的疲劳载荷拉伸应力,残余应力不放松,如果本地附加荷载不超过屈服强度。

4.4。应力比和残余应力对疲劳的影响开始

在测试,应用疲劳载荷的介质压力水平和数量的周期是10⁶∼10⁷。所有减压治疗后试样的疲劳裂纹起源于表面。一般说,10号相对应的最大应力循环⁷疲劳极限,压力和疲劳寿命之间的关系的曲线n如图12。然而,有很高的残余压应力在样品的表面没有热处理。当应力比−1.0,经过几个周期,外表面上的残余应力急剧下降,最终留在−200 mpa。自由表面的作用下,疲劳裂纹的萌生是位于自由表面。一旦出现裂缝,由于压应力的存在,裂缝关闭,和更多的疲劳周期消耗在裂纹萌生和稳定传播之前,和疲劳寿命显著增加。当应力比−0.6−0.3或0.1,平均应力的表层减少由于高表面残余应力。随着应力比的增加,残余应力在裂纹可能改变从压应力、拉应力。很高的残余压应力的外表面只有一个小影响内部裂纹扩展,所以疲劳寿命显示的加速度逐渐减少。应力比为0.6时,试件的残余应力迅速放松。几个周期后,残余应力基本上消失了。 Like the specimen without residual stress, the crack starts at the outer surface and the fatigue life is generally the same.

结果表明,残余应力的疲劳极限的标本是增加了17.4%和3.4%R= 1和0.1,分别。当R< /我≥0.6,两种标本的疲劳极限的值是相同的。的循环疲劳强度R=−1增加约17.4%,随着应力比的增加,残余应力对疲劳强度的影响逐渐下降,直到减少到0。应力比−1时,残余应力对疲劳强度的影响最大。随着应力比的增加,残余压应力增加疲劳寿命,但残余压应力松弛应力比低时更快。原因可能如下:当应力比−1,经过几个周期,外表面上的残余应力明显减少,仍在−200 MPa。此时,裂纹萌生仍位于自由表面。一旦出现裂缝,由于压应力的存在,裂缝关闭,和更多的疲劳裂纹成核前周期消耗和稳定的传播,导致疲劳寿命显著增加。不仅与应力比的增加,裂纹萌生位置向内移动,还残余应力的分布变化显著由于裂纹萌生。虽然表面上的残余压应力非常高,残余应力在裂纹萌生的位置可能会改变从压应力、拉应力与应力比的增加,和高外表面残余压应力只能有一点对裂纹扩展的影响。因此,稳步提高疲劳寿命下降的程度。当应力比增加,试件的残余应力迅速放松。 After several cycles, the residual stress basically disappears. Like the specimen without residual stress, the crack starts at the outer surface and the fatigue life is generally the same.

5。结论

5.1加工造成的表面残余压应力可以有效地提高Ti-6Al-4V标本的疲劳强度和应力比密切相关。当应力比R=−1.0,切削表面的残余压应力会增加约17.3%的疲劳强度。随着应力比的增加,影响切削表面的残余压应力逐渐减小,和残余压应力的应力比为0.6时消失。

5.2用于减压的标本表面产生的疲劳断裂;当应力比−0.6−0.3,和0.1,未减轻的疲劳裂纹从内部开始阶段谷物,当应力比−1.0和0.6,表面疲劳裂纹开始。

5.3表面残余压应力的影响Ti-6Al-4V和起始位置的疲劳强度与应力比有关。当R=−1.0,残余应力对疲劳强度的影响主要是由于表面裂纹的闭合效应,当R=−0.6 - -0.1,表面残余压应力导致的平均压力减少表层的标本,导致疲劳裂纹萌生,钛合金的疲劳强度主要是由内部控制缺陷和局部应力集中。

数据可用性

使用的数据来支持本研究可从相应的作者。

的利益冲突

作者声明没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了安徽大学自然科学主要研究项目(批准号2017年KJ2017A750)和2020年(批准号KJ2020A1118);2019年安徽省、特色高级专业:机械设计与制造专业建设项目(批准号2019 tgzy01);和2020年安徽省示范教学课程“机床技术”项目(批准号2021 sfk01)。