CN105319215B - 钛合金室温保载疲劳失效判定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钛合金室温保载疲劳失效判定方法，属于钛合金疲劳失效技术领域。该方法是利用光学显微镜和扫描电子显微镜对疲劳失效后的断口和断口纵剖面二次裂纹进行观察，根据断口上疲劳裂纹萌生位置、萌生区域特征和纵剖面二次裂纹形貌等信息来综合判定的。本发明的优点在于，可以准确鉴定钛合金中由保载疲劳行为所导致的失效以及在失效过程中保载疲劳效应强弱。通过制定相关评价标准，可为钛合金保载疲劳行为实验室研究、钛合金保载效应评价及断裂失效分析提供参考。
Description
技术领域：
本发明涉及钛合金疲劳失效领域，具体涉及一种钛合金室温保载疲劳失效判定方法，该方法能够判定钛合金疲劳失效是否由保载疲劳引起以及保载疲劳效应的强弱。
背景技术：
钛合金作为一类轻质高强材料，在航空航天领域运用广泛。其中，近α型和α+β型钛合金由于具有优异的抗蠕变和疲劳综合性能被用于制造航空发动机的压气机盘、风扇盘及其叶片等部件。对这些重要部件的疲劳寿命进行准确预测是保证航空器飞行安全的关键。通常，对部件所采用的材料在实验室阶段和平台测试阶段进行疲劳试验获得其疲劳寿命，并根据一定的安全设计法则，得出所制部件的检修或更换周期。因此，实验室或平台测试阶段所反映的疲劳寿命对服役寿命预测的准确度起决定性作用。由于航空器在实际飞行过程中所经历的载荷谱极其复杂，实验室测试阶段常采取简化的三角波形或正弦波形来描述其往复循环的疲劳行为。对于绝大多数材料，三角波和正弦波等疲劳波形不仅简洁可行，而且在反应部件疲劳寿命方面也具有代表性。
但利用简化的三角波疲劳波形对于部分钛合金部件进行寿命预测时出现问题，并引发航空事故。最早一次事故发生在上世纪70年代，Rolls-Royce公司提供的RB211发动机上两件由近α型IMI685合金制造的风扇盘在服役过程中发生提前失效。该部件在进入服役前通过了当时所有的疲劳检测标准，而失效时的疲劳寿命严重低于预测寿命。研究很快发现，疲劳寿命预测的严重偏差源自实验测试阶段所采用的疲劳描述波形不准确所致。航空发动机上钛合金部件的室温疲劳不能用普通的三角波形来描述，而应该利用与实际飞行载荷谱更接近的梯形波(在峰值应力下保持一段时间)来评价。随后的实验室研究也证明，提前失效的IMI685风扇盘的梯形波疲劳寿命显著低于普通三角波疲劳寿命。在峰值应力下保持一段时间的梯形波疲劳，便称为保载疲劳。在相同的应力条件下，保载疲劳寿命与普通疲劳寿命相比显著降低的现象称为保载效应。
对于这种基于非保载疲劳寿命进行预测存在严重偏离的情况，让航空部门感到忧虑并引起了极大关注。虽然保载疲劳问题较早已被发现，但至今仍未能得到妥善解决。最近一次的保载疲劳事故发生在1997年，加拿大国际航空公司一架从北京飞往温哥华的波音767-375ER客机在起飞过程中左翼发动机突然发生爆炸。事故调查结果表明此次事故为发动机的高压压气机盘发生保载疲劳失效所致。该客机采用的发动机为GE公司提供的CF6发动机，发生失效的部件是由近α型Ti6242合金制造的3～9级高压压气机盘。
保载效应的影响因素众多，主要可归纳为外部和内部因素。外部因素包括材料所处的峰值应力水平、保载时间以及峰谷值应力比，增加峰值应力和延长保载时间都会加剧保载效应；内部因素主要为合金类型、合金显微组织及微织构等情况，其中微织构的存在是导致近α型和α+β型钛合金产生保载效应的最直接原因。为应对保载疲劳问题，目前航空界主要采取调整飞行操作规程和更换合金的措施。调整操作规程是为了降低部件运行过程中的峰值应力水平，以减弱保载效应。合金更换则是利用保载效应较弱或不敏感的合金取代保载效应强的合金，如Rolls-Royce公司在RB211发动机出现保载疲劳问题后，采用Ti64取代IMI685合金制造风扇盘。而对于目前运用最为广泛的发动机压气机盘材料Ti6242合金，人们则希望采用保载不敏感的Ti6246或Ti17合金进行替代。由此可以看出，钛合金保载疲劳问题的出现一直影响着现代航空发动机的设计与制造。
航空发动机中实际服役部件所经历的载荷波形变化异常，诸如起飞、巡航、降落、技术操作和突发状况等，这种变幻的载荷波形对于船舶动力、发电设备等也类似。因此，除了航空领域，海洋船舶、石油化工和电力工业等领域也可能出现钛合金保载疲劳失效现象。
钛合金保载疲劳失效是一类有别于其他疲劳失效的特殊失效模式。如前所述，保载疲劳影响因素众多，而真正的保载疲劳失效只有在特定的内外因素共同作用下才会出现。准确判定钛合金室温保载疲劳失效行为，对指导保载疲劳的影响因素和机理研究，钛合金选材、组织控制以及最终性能评价都具有重要意义。虽然保载效应的有无及强弱可以从疲劳寿命降低的程度得到最直接的反映，但研究发现影响疲劳寿命降低程度的因素除了保载效应本身，还受其他非保载疲劳机制的因素影响。比如，当疲劳测试的峰值应力选择高于材料的拉伸屈服强度时，保载疲劳寿命也会出现严重降低，但这并不是由保载疲劳机制所引起；另外，除了保载疲劳寿命，寿命降低程度还取决于作为参照的普通疲劳。研究表明普通疲劳寿命受显微组织因素影响也较大，而此处的显微组织因素常有别于影响保载疲劳的组织因素。因此，保载疲劳失效及其效应强弱单从寿命降低的程度来判定变得困难，甚至有时候得出不正确的结论。
发明内容：
本发明的目的是提供一种钛合金室温保载疲劳失效判定方法，用于判定钛合金疲劳失效是否由保载疲劳所引起以及保载效应的强弱，该方法可以为实验室研究、钛合金保载效应评价及断裂失效分析提供参考。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种钛合金室温保载疲劳失效判定方法，该方法是判定钛合金疲劳失效是否由保载疲劳所引起，判定过程包括如下步骤：
(1)利用光学显微镜对疲劳失效后的钛合金断口进行低倍(5～30倍)观察，确定断口上疲劳裂纹的萌生位置；疲劳裂纹的萌生位置通过比较断口上不同区域的相对明暗程度来确定，相对明亮的区域为疲劳裂纹萌生位置；
(2)如果疲劳裂纹的萌生位置仅在试样表面，则钛合金疲劳失效不是由保载疲劳引起；如果有疲劳裂纹的萌生位置在试样亚表面或内部，则钛合金疲劳失效可能是由保载疲劳引起；
(3)如果有疲劳裂纹的萌生位置在试样亚表面或内部，利用扫描电子显微镜对该疲劳裂纹萌生区域的解理小平面进行观察，根据疲劳裂纹萌生区域解理小平面的形貌特征进一步判定：如果解理小平面的表面光滑，且解理小平面与应力轴夹角为30～60°，则钛合金疲劳失效不是由保载疲劳引起；如果解理小平面具有“人”字形花样、且解理小平面与应力轴夹角为80～100°，则钛合金疲劳失效是由保载疲劳引起。
所述的钛合金室温保载疲劳失效判定方法还包括判定保载效应的强弱，判定过程为：如果钛合金疲劳失效是由保载疲劳引起，则在上述步骤(1)观察结果中，断口上由保载疲劳引起的明亮区域所占面积的多少反映保载效应的强弱，所占面积越多保载效应越强。
一种钛合金室温保载疲劳失效判定方法，该方法是判定钛合金疲劳失效是否由保载疲劳所引起，具体是根据断口纵剖面的二次裂纹形貌进行判定：如果断口纵剖面的二次裂纹均为与应力轴呈30～60°角度的，则钛合金疲劳失效不是由保载疲劳引起；如果断口纵剖面的二次裂纹存在与应力轴呈80～100°角度的，则钛合金疲劳失效是由保载疲劳引起。
所述的钛合金室温保载疲劳失效判定方法还包括判定保载效应的强弱，判定过程为：如果钛合金疲劳失效是由保载疲劳引起，则断口纵剖面存在与应力轴角度为80～100°的二次裂纹的多少(根据长度计算)反映保载效应的强弱，所占比例越多保载效应越强。
以上两组钛合金室温保载疲劳失效判定方法，在判定钛合金室温保载疲劳失效问题时，可联合使用、互为印证。
钛合金保载效应可分为强、弱和无等情况。对于保载效应强的断口，作为保载疲劳裂纹萌生位置的明亮区域多或者区域较大，同时断口纵剖面与应力轴基本垂直(80～100°)的二次裂纹多；对于保载效应弱的断口，可能为一种疲劳裂纹分别从试样表面和试样内部萌生的混合型断口，且内部萌生的明亮区域较少或小，与此对应断口纵剖面的二次裂纹存在与应力轴倾斜相交(30～60°)和与应力轴基本垂直(80～100°)的两种形貌；对于无保载效应的断口，其特征和普通三角波疲劳的断口类似，疲劳裂纹均从试样表面萌生，且试样亚表面或内部无明亮的萌生区域，对应的断口纵剖面二次裂纹均为与应力轴倾斜相交(30～60°)的形貌。
本发明的优点如下：
1、本发明基于系统的钛合金保载疲劳研究结果，从保载疲劳断裂机理和特征出发，提出钛合金室温保载疲劳失效的准确判定方法。本发明方法不仅可以判定钛合金疲劳失效是否由保载疲劳引起，而且可以进一步判定保载效应的强弱。
2、本发明所述的钛合金室温保载疲劳失效判定方法，在鉴定钛合金疲劳失效是否由保载疲劳行为所引起的问题上准确可靠，通过制定相应标准，可作为保载疲劳问题实验室研究、钛合金保载效应评价以及失效事故分析的参考依据。
附图说明：
图1为钛合金室温保载疲劳失效判定流程图；
图2为疲劳测试所采用的棒状试样(单位：mm)；
图3为不同加载方式的疲劳波形；其中：(a)低周疲劳(Low Cycle Fatigue，LCF)波形；(b)低周保载疲劳(Low Cycle Dwell Fatigue，LCDF)波形；
图4为Ti6242合金疲劳断口的光学显微镜照片；其中：(a)LCF；(b)LCDF；(LCF图中圆圈所指的亮斑为外来损伤，非自身断裂特征)；
图5为LCF断口上裂纹萌生处解理小平面扫描电镜照片；
图6为LCDF断口上裂纹萌生处解理小平面扫描电镜照片；
图7为疲劳断口纵剖面二次裂纹形貌提取方法；其中：(a)金相照片；(b)二次裂纹形貌提取后示意图；
图8为Ti6242合金LCF和LCDF疲劳断口纵剖面二次裂纹形貌；其中：(a)LCF；(b)LCDF；
图9为Ti6243合金疲劳断口的光学显微镜照片；其中：(a)LCF；(b)LCDF；(LCF图中圆圈所指的亮斑为外来损伤，非自身断裂特征；LCDF图中箭头所指为试样内部疲劳裂纹萌生区域)；
图10为Ti6243合金LCF和LCDF疲劳断口纵剖面二次裂纹形貌；其中：(a)LCF；(b)LCDF；
图11为Ti6244合金疲劳断口的光学显微镜照片；其中：(a)LCF；(b)LCDF；
图12为Ti6244合金LCF和LCDF疲劳断口纵剖面二次裂纹形貌；其中：(a)LCF；(b)LCDF；
图13为Ti6245合金疲劳断口的光学显微镜照片；其中：(a)LCF；(b)LCDF；(LCF图中圆圈所指的亮斑为外来损伤，非自身断裂特征)；
图14为Ti6246合金疲劳断口的光学显微镜照片；其中：(a)LCF；(b)LCDF。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，所给实例可作为判定保载疲劳失效的参比样使用。
本发明为钛合金室温保载疲劳失效判定方法，不仅可以判定钛合金疲劳失效是否由保载疲劳引起，而且可以进一步判定保载效应的强弱，其判定流程如图1所示，具体过程如下：
(1)对钛合金试样进行疲劳测试，疲劳测试所采用的试样为棒状试样，如图2所示。利用光学显微镜对疲劳失效后的钛合金断口进行低倍(5～30倍)观察，确定断口上疲劳裂纹的萌生位置。疲劳裂纹的萌生位置通过比较断口上不同区域的相对明暗程度来确定，相对较明亮的区域为疲劳裂纹萌生位置【《断口学》，钟群鹏、赵子华编著，高等教育出版社，参见第294页】。
(2)如果疲劳裂纹仅萌生于试样表面，则可以判定为非保载疲劳失效；如果有疲劳裂纹萌生于试样亚表面或内部，则可能存在保载疲劳失效(且萌生位置越明亮存在保载疲劳失效的可能性越大)。
(3)利用扫描电子显微镜对疲劳裂纹萌生区域的解理小平面进行观察，确定萌生区域解理小平面的形貌特征。如果解理小平面的形貌为表面光滑、解理小平面与应力轴有一定夹角(30～60°)且解理小平面之间或相互平行或倾斜相交(小平面区域的整体形貌不处于与应力轴相垂直的平面)，则为非保载疲劳引起；解理小平面的形貌若为具有“人”字形花样、解理小平面与应力轴基本垂直(80～100°)且解理小平面区域的整体形貌较为平坦，则可进一步确定为保载疲劳引起。
判定钛合金疲劳失效是否由保载疲劳引起，还可根据断口纵剖面的二次裂纹形貌进行判定，若二次裂纹均为与应力轴倾斜相交(30～60°)则为非保载疲劳(普通低周疲劳)引起；若存在二次裂纹与应力轴基本垂直(80～100°)则可判定为由保载疲劳引起。
保载效应强弱判定方法：已经确定为具有保载疲劳失效后，可进一步判定保载效应的强弱。强弱判定方法为：根据由保载疲劳引起的明亮区域所占面积的多少及二次裂纹中基本垂直应力轴(±10°)形貌的裂纹所占比例(按长度计算)来判定保载效应的强弱，面积越多、比例越大者，保载效应越强。
实施例1：Ti6242合金室温保载疲劳失效判定
Ti6242合金采用如图2所示的试样按照图3所示的两类疲劳波形进行加载直至断裂。利用光学显微镜观察Ti6242合金的LCF和LCDF疲劳断口，如图4所示。根据各自断口上明暗程度可以判定，LCF断口的裂纹萌生位置在图的最右端，为试样表面萌生；观察LCDF断口可以发现，断口上的明亮区域较多且分散，基本分布在试样的亚表面或内部，呈现多点萌生。
进一步用扫描电子显微镜放大观察Ti6242合金LCF和LCDF断口上萌生区域的解理小平面，分别如图5、6所示。LCF的解理小平面光滑，解理小平面与应力轴之间夹角约为45°且解理小平面之间或相互平行或倾斜相交(小平面区域的整体形貌不处于与应力轴相垂直的平面)；LCDF的解理小平面具有“人”字形花样特征，小平面区域整体形貌较为平坦(没有解理小平面之间倾斜相交的情况)，且解理小平面与应力轴基本垂直。
进一步利用断口纵剖面的二次裂纹形貌进行判定，二次裂纹的形貌特征需进行大面积统计观察。为方便比较，在纵剖面选取有代表性区域将实际裂纹形貌进行提取并绘成示意图，操作方法如图7所示。其他实施例二次裂纹示意图绘制方法同本实施例。
对比Ti6242合金LCF和LCDF断口纵剖面的二次裂纹可以发现，如图8所示，LCF纵剖面的二次裂纹大部分为倾斜、与应力轴成约45°角度；LCDF纵剖面的二次裂纹大部分为与应力轴基本垂直。
LCDF断口上明亮萌生区域的总面积较大，同时断口纵剖面的二次裂纹大部分为与应力轴垂直，这表明Ti6242合金具有较强的保载效应，实际测得的寿命降低(NLCF/NLCDF，其中NLCF＝25473周次、NLCDF＝3232周次)为7.9倍。
实施例2：Ti6243合金室温保载疲劳失效判定
Ti6243合金采用如图2所示的试样按照图3所示的两类疲劳波形进行加载直至断裂。利用光学显微镜观察Ti6243合金的LCF和LCDF疲劳断口，如图9所示。根据各自断口上明暗程度可以判定，LCF的断口有两个裂纹萌生位置分别在图的最下端和最右端，均为试样表面萌生；观察LCDF断口可以发现，断口上试样内部存在明亮区域(如箭头所指)，但比实施例1中的LCDF断口明显少很多。同时在断口的最右端可以发现与LCF断口明亮程度相近的区域，为试样表面裂纹萌生区域。因此，Ti6243合金的LCDF断口具有两类裂纹萌生形式：试样表面萌生和试样内部萌生。
利用扫描电子显微镜放大观察Ti6243合金LCF和LCDF断口上裂纹萌生区域的解理小平面，无论是LCF还是LCDF，二者表面萌生的解理小平面特征都和图5类似；LCDF断口上内部萌生的解理小平面特征和图6类似，具有“人”字形花样。
对比Ti6243合金LCF和LCDF断口纵剖面的二次裂纹可以发现，如图10所示，LCF纵剖面的二次裂纹大部分为倾斜、与应力轴成约45°角度；LCDF纵剖面的二次裂纹既有与应力轴倾斜相交的，也有与应力轴基本垂直的。
LCDF断口上由保载疲劳引起的明亮萌生区域较少总面积较小，同时断口纵剖面与应力轴垂直的二次裂纹所占比例少(相比于实施例1中的Ti6242合金)，这表明Ti6243合金具有较弱的保载效应，实际测得的寿命降低为4.0倍(其中NLCF＝33482周次、NLCDF＝8406周次)。
实施例3：Ti6244合金室温保载疲劳失效判定
Ti6244合金采用如图2所示的试样按照图3所示的两类疲劳波形进行加载直至断裂。利用光学显微镜观察Ti6244合金的LCF和LCDF疲劳断口，如图11所示。根据各自断口上明暗程度可以判定，LCF和LCDF断口均为疲劳裂纹从试样表面萌生，萌生位置在断口图的最右端。
对比Ti6244合金LCF和LCDF断口纵剖面的二次裂纹可以发现，如图12所示，LCF和LCDF纵剖面的二次裂纹均大部分为倾斜、与应力轴成约45°角度。
这种情况表明，Ti6244合金不具有室温保载效应，实际测得的寿命降低为3.5倍(其中NLCF＝39306周次、NLCDF＝11253周次)。
实施例4：Ti6245和Ti6246合金室温保载疲劳失效判定
同上述实施例，Ti6245和Ti6246合金采用如图2所示的试样经两类疲劳波形加载断裂后观察其疲劳断口，分别如图13和14所示。根据各自断口上明暗程度可以判定，LCF和LCDF断口均为疲劳裂纹从试样表面萌生，萌生位置在断口图的最右端，断口内部无明亮的区域。
可以判定Ti6245和Ti6246合金均不具有室温保载效应，实际测得的寿命降低分别为2.8倍(Ti6245，其中NLCF＝28479周次、NLCDF＝10258周次)和2.9倍(Ti6246，其中NLCF＝27599周次、NLCDF＝9609周次)。
Claims (6)
1.一种钛合金室温保载疲劳失效判定方法，其特征在于：该方法是判定钛合金疲劳失效是否由保载疲劳所引起，判定过程包括如下步骤：
(1)利用光学显微镜对疲劳失效后的钛合金断口进行低倍观察，确定断口上疲劳裂纹的萌生位置；
(2)如果疲劳裂纹的萌生位置仅在试样表面，则钛合金疲劳失效不是由保载疲劳引起；如果有疲劳裂纹的萌生位置在试样亚表面或内部，则钛合金疲劳失效可能是由保载疲劳引起；
(3)如果有疲劳裂纹的萌生位置在试样亚表面或内部，利用扫描电子显微镜对疲劳裂纹萌生区域的解理小平面进行观察，根据疲劳裂纹萌生区域解理小平面的形貌特征进一步判定：如果解理小平面的表面光滑，且解理小平面与应力轴夹角为30～60°，则钛合金疲劳失效不是由保载疲劳引起；如果解理小平面具有“人”字形花样，且解理小平面与应力轴夹角为80～100°，则钛合金疲劳失效是由保载疲劳引起。
2.根据权利要求1所述的钛合金室温保载疲劳失效判定方法，其特征在于：步骤(1)中，所述低倍观察是指观察倍数为5～30倍。
3.根据权利要求1所述的钛合金室温保载疲劳失效判定方法，其特征在于：疲劳裂纹的萌生位置通过比较断口上不同区域的相对明暗程度来确定，相对明亮的区域为疲劳裂纹萌生位置。
4.根据权利要求1或3所述的钛合金室温保载疲劳失效判定方法，其特征在于：该方法还包括判定保载效应的强弱，判定过程为：如果钛合金疲劳失效是由保载疲劳引起，则在步骤(1)观察结果中，断口上由保载疲劳引起的明亮区域所占面积的多少反映保载效应的强弱，所占面积越多保载效应越强。
5.一种钛合金室温保载疲劳失效判定方法，其特征在于：该方法是判定钛合金疲劳失效是否由保载疲劳所引起，具体是根据断口纵剖面的二次裂纹形貌进行判定：如果断口纵剖面的二次裂纹均为与应力轴呈30～60°角度的，则钛合金疲劳失效不是由保载疲劳引起；如果断口纵剖面的二次裂纹存在与应力轴呈80～100°角度的，则钛合金疲劳失效是由保载疲劳引起。
6.根据权利要求5所述的钛合金室温保载疲劳失效判定方法，其特征在于：该方法还包括判定保载效应的强弱，判定过程为：如果钛合金疲劳失效是由保载疲劳引起，则断口纵剖面存在与应力轴角度为80～100°的二次裂纹的多少反映保载效应的强弱，所占比例越多保载效应越强。
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