CN110596097B - 一种基于疲劳断口分析的钛合金保载疲劳失效判定方法 - Google Patents

一种基于疲劳断口分析的钛合金保载疲劳失效判定方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种基于疲劳断口分析的钛合金保载疲劳失效判定方法，属于金属材料失效分析技术领域。本发明通过对疲劳失效断口的宏观判断和微观分析，结合钛合金在保载载荷下的失效断口特征评估，判断钛合金失效是否由保载疲劳效应引起，并通过量化断口特征区域评估保载疲劳效应的强弱。本发明能够在未知疲劳载荷历史的情况下通过疲劳失效断口的分析判断是否为钛合金材料和零部件的保载疲劳失效，具有方法简单、可实施性强的优点。

Description

一种基于疲劳断口分析的钛合金保载疲劳失效判定方法
技术领域
本发明一种基于疲劳断口分析的钛合金保载疲劳失效判定方法涉及钛合金保载疲劳失效判定方法，属于金属材料失效分析技术领域。
背景技术
钛合金材料一般具有较高强度、较低密度、优异的耐腐蚀性能和较好的抗疲劳性能等特点，作为一种综合力学性能优异的轻质金属结构材料，钛合金在航空航天、汽车制造、海洋船舶等领域得到较为广泛的应用，特别在航空发动机领域，钛合金的较高综合力学性能和较低的合金密度使其在与其它金属结构材料的竞争中具有明显的优势。在对航空发动机用钛合金盘锻件的开发和应用过程中，研究人员发现近α和α+β型高温钛合金中存在一种不同于其他金属结构材料一般疲劳的失效行为——保载疲劳。部分钛合金零部件在服役前通过了常规低周疲劳性能测试，但在服役时的实际失效疲劳寿命严重低于预测寿命。这种在相同的应力条件下，近室温温度区间的附加保载阶段载荷引起疲劳寿命显著低于常规三角波疲劳寿命的现象被称为钛合金的保载疲劳效应。
不同于其他金属结构材料的一般疲劳失效行为，保载疲劳失效是存在于钛合金中的一种较为特殊的失效形式。但是由于钛合金零部件在服役过程中通常经历较为复杂的服役过程，其最终失效过程和形式也相对复杂，如何准确的判断钛合金零部件的保载疲劳失效行为，对钛合金零部件失效原因分析和追溯有着重要价值。
发明内容
本发明的目的：提出一种钛合金保载疲劳失效行为判定方法，通过对疲劳失效断口的宏观判断和微观分析，结合钛合金在保载载荷下的失效断口特征评估，判断钛合金失效是否由保载疲劳效应引起，且量化评估保载载荷对其失效行为的影响程度。该方法可以为钛合金的保载疲劳行为研究和零部件失效行为分析提供重要参考。
本发明的技术方案：一种基于疲劳断口分析的钛合金保载疲劳失效判定方法，所述方法包括以下步骤：
(1)疲劳失效断口试样的制备与清洗处理；
(2)对断口试样上疲劳裂纹起裂位置进行初步判断，初步观察断口形貌，当断口附近呈现扇形的疲劳条带汇聚形态时，初步判断断口上疲劳裂纹起裂位置为表面起裂；否则，初步判断断口上疲劳裂纹起裂位置为非表面起裂；
(3)对步骤(2)中判断为表面起裂的断口试样的分析，确认断口是否存在“小平面”及准解离“河流”花样特征区域，若断口上未发现“小平面”特征及其附近的准解理“河流”花样，则判断断口为A类不包含保载效应的疲劳失效断口；若断口上发现“小平面”特征及其附近的准解理“河流”花样，则判断断口为B类包含保载效应的混合疲劳失效断口；
(4)对步骤(2)中判断为非表面起裂的断口试样的分析，确认断口表面是否存在“小平面”特征区域和疲劳条带特征，若断口上发现“小平面”特征及其附近的准解理“河流”花样，且发现疲劳条带特征并根据疲劳条带的垂直和汇集方向可追溯至表面起裂形貌，则判断断口为B类包含保载效应的混合疲劳失效断口；若断口上发现“小平面”特征及其附近的准解理“河流”花样，但未发现疲劳条带特征，则判断口为C类完全保载疲劳失效断口；若断口上未发现“小平面”特征及其附近的准解理“河流”花样，也未发现疲劳条带特征，则判断断口为D类非疲劳失效断口。
所述步骤(1)疲劳失效断口试样的制备需保证试样尺寸满足体式显微镜和扫描电镜的尺寸要求，截取断口试样应保留全部潜在的裂纹起裂及扩展区域和部分瞬断区域；断口试样的清洗时需保证断口表面洁净，无污染。
在步骤(2)中采用宏观或体式显微镜下观察断口形貌，显微镜放大倍数10～50倍。
步骤(3)中使用扫描电镜对疲劳失效断口形貌进行细致观察，寻找失效断口表面存在的“小平面”特征区域；其中“小平面”特征区域需符合如下特征：表面光滑平整，平面方向近似垂直于载荷施加方向，环绕“小平面”特征区域存在数倍范围的准解理“河流”花样特征区域。
步骤(4)中使用扫描电镜对疲劳失效断口形貌进行细致观察，寻找失效断口表面存在的“小平面”特征区域和疲劳条带特征；其中“小平面”特征区域需符合如下特征：表面光滑平整，平面方向近似垂直于载荷施加方向，环绕“小平面”特征区域存在数倍范围的准解理“河流”花样特征区域；疲劳条带分析需发现疲劳条带形貌，存在于一个晶粒或多个晶粒中近似平行排列的明暗条带特征，并根据疲劳条带的垂直和汇集方向可追溯至表面起裂形貌。
所述方法还包括对B类包含保载效应的混合疲劳失效断口和C类保载疲劳失效断口小平面特征区域量化评估的步骤。
对“小平面”特征及其附近的准解理“河流”花样区域进行区域面积量化评估分析；标定小平面特征区域面积S1，标定小平面附近准解理“河流”花样区域面积S2；使用特征区域面积比值k值等于S2和S1之比来表征钛合金在保载疲劳载荷下的失效行为贡献。
采集不同位置的“小平面”特征及其附近的准解理“河流”花样区域形貌特征，计算特征区域面积比值k值的多点平均值进行量化评估，结合表面起裂区域及韧窝特征区域特点，用于对比不同材料、载荷、温度等条件下的保载载荷对失效行为的影响大小。
本发明的有益效果是：本发明基于钛合金疲劳失效断口的分析结果，结合保载疲劳断口的失效特征分析，提出钛合金保载疲劳失效的准确判定方法。本发明所述保载疲劳失效判定方法具有可操作性强，流程清晰，判定结果准确等特点，对钛合金保载疲劳行为机理研究、应用评价和失效分析等具有重要的参考价值。
附图说明
图1是Ti6242钛合金体式显微镜1#试样表面起裂断口；
图2是Ti6242钛合金体式显微镜2#试样非表面起裂断口；
图3是Ti6242钛合金体式显微镜3#试样非表面起裂断口；
图4是Ti6242钛合金体式显微镜4#试样非表面起裂断口；
图5是表面起裂试样的起裂源区域局部示意图；
图6是表面起裂试样的起裂源及其扩展区域示意图；
图7是“小平面”特征区域局部示意图；
图8是“小平面”特征及其附近的准解理“河流”花样形貌示意图；
图9是断口疲劳条带特征示意图一；
图10是断口疲劳条带特征示意图二；
图11是“小平面”特征区域S1和小平面附近准解理“河流”花样特征区域S2示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步详细的说明。
本发明通过对疲劳失效断口的宏观判断和微观分析，结合钛合金在保载载荷下的失效断口特征评估，判断钛合金失效是否由保载疲劳效应引起。为实现上述目的，采用具体方法和流程如下：
(1)疲劳失效断口试样的制备与清洗处理；
对疲劳失效断口试样进行切割处理以保证截取试样满足体式显微镜和扫描电镜的尺寸要求，同时要求截取试样保留全部潜在的裂纹起裂及扩展区域和部分瞬断区域。对截取后的断口试样使用丙酮或酒精进行超声清洗2～5分钟，保证断口表面洁净，无油、杂质外来物质的污染。
(2)对断口试样上疲劳裂纹起裂位置进行初步判断，在宏观和体式显微镜下观察断口形貌，判断断口上疲劳裂纹起裂位置是否为表面，当断口附近呈现扇形的疲劳条带汇聚形态时，初步判断断口上疲劳裂纹起裂位置为表面起裂，否则初步判断断口上疲劳裂纹起裂位置为非表面起裂；如果疲劳裂纹的起裂位于断口试样表面，则钛合金疲劳失效优先考虑非保载疲劳引起，需采用步骤3进行确认；如果未发现疲劳裂纹起裂于断口试样表面的疲劳条带汇聚特征，则钛合金疲劳失效优先考虑保载疲劳引起，需采用步骤4进行确认。
(3)对步骤(2)中判断为表面起裂的断口试样的分析，使用扫描电镜对疲劳失效断口形貌进行细致观察，确认断口是否存在“小平面”及准解理“河流”花样特征区域，其中“小平面”特征区域需符合如下特征：表面光滑平整，平面方向近似垂直于载荷施加方向，环绕“小平面”特征区域存在数倍范围的准解理“河流”花样特征区域。若断口上未发现“小平面”特征及其附近的准解理“河流”花样，则判断断口为A类不包含保载效应的疲劳失效断口；若断口上发现“小平面”特征及其附近的准解理“河流”花样，则判断断口为B类包含保载效应的混合疲劳失效断口；
(4)对步骤(2)中判断为非表面起裂的断口试样的分析，使用扫描电镜对疲劳失效断口形貌进行细致观察，确认断口表面是否存在“小平面”特征区域和疲劳条带特征，其中“小平面”特征区域需符合如下特征：表面光滑平整，平面方向近似垂直于载荷施加方向，环绕“小平面”特征区域存在数倍范围的准解理“河流”花样特征区域；疲劳条带特征需符合如下特征：近似平行排列的明暗条带特征，条带间距数微米或数十微米，存在于一个晶粒或多个晶粒。若断口上发现“小平面”特征及其附近的准解理“河流”花样，且发现疲劳条带特征并根据疲劳条带的垂直和汇集方向可追溯至表面起裂形貌，则判断断口为B类包含保载效应的混合疲劳失效断口；若断口上发现“小平面”特征及其附近的准解理“河流”花样，但未发现疲劳条带特征，则判断口为C类完全保载疲劳失效断口；若断口上未发现“小平面”特征及其附近的准解理“河流”花样，也未发现疲劳条带特征，则判断断口为D类非疲劳失效断口。
(5)关于B类包含保载效应的混合疲劳失效断口和C类保载疲劳失效断口的小平面特征区域量化评估：对“小平面”特征及其附近的准解理“河流”花样区域进行区域面积量化评估分析，标定小平面特征区域面积S1，标定小平面附近准解理“河流”花样区域面积S2。使用特征区域面积比值k值等于S2和S1之比来表征钛合金在保载疲劳载荷下的失效行为贡献。采集多个不同位置的“小平面”特征及其附近的准解理“河流”花样区域形貌特征，计算特征区域面积比值k值的多点平均值进行量化评估，结合表面起裂区域及韧窝特征区域特点，用于对比不同材料、载荷、温度等条件下的保载载荷对失效行为的影响大小。
实施例1
以Ti6242钛合金的疲劳失效断口评估为例，共有疲劳失效断口试样4个，如图1～图4所示，采用本发明所设计的保载疲劳失效判定方法如下：
(1)对4个疲劳断口试样进行切割处理，使其试样高度约为20～40mm，长度和宽度方向Ф10mm满足体式显微镜和扫描电镜对观察试样的形状要求，且截取试样保留全部潜在的裂纹起裂及扩展区域和部分瞬断区域。对截取后的试样使用丙酮进行超声清洗2～5分钟，保证断口表面洁净，无油迹、杂质外来物质的污染。
(2)使用体式显微镜初步观察4个疲劳试样断口形貌，判断断口上疲劳裂纹起裂位置是否为表面，通常表面起裂位置的断口附近呈现扇形的疲劳条带汇聚形态。结果显示1#试样为表面起裂试样，如图1所示，起裂位置如图中断口试样的11点钟方向，从表面起始呈扇形扩散状；2#试样为非表面起裂试样；3#试样为非表面起裂试样，如图3所示；4#试样为非表面起裂试样，如图4所示。
(3)对于发现裂纹起裂于表面的1#试样使用扫描电镜进行断口精细断口分析，确认表面起裂特征，同时寻找失效断口可能存在的“小平面”特征区域。其中“小平面”特征区域如图7和图8所示，需符合如下特征：表面光滑平整，平面方向近似垂直于载荷施加方向，环绕“小平面”特征区域存在数倍范围的准解理“河流”花样特征区域。结果显示1#试样表面起裂特征明显，如图5所示，同时1#试样其他区域不存在“小平面”特征及其附近的准解理“河流”花样，判断1#试样疲劳失效断口为A类非保载疲劳失效断口。
(4)对于未发现裂纹起裂于表面的2#、3#和4#试样试样使用扫描电镜进行细致分析，寻找失效断口表面可能存在的“小平面”特征区域和疲劳条带特征。其中“小平面”特征区域如图7和图8所示，需符合如下特征：表面光滑平整，平面方向近似垂直于载荷施加方向，环绕“小平面”特征区域存在数倍范围的准解理“河流”花样特征区域；其中疲劳条带特征如图9和图10所示。结果显示2#试样存在疲劳条带特征，如图10所示，且可根据疲劳条带的垂直和汇集方向可追溯至表面起裂形貌，同时失效断口可见“小平面”特征及其附近的准解理“河流”花样区域，判断2#疲劳失效断口为B类包含保载效应的混合疲劳失效断口。3#试样不存在疲劳条带特征且未见表面起裂形貌，失效断口可见大量“小平面”特征及其附近的准解理“河流”花样区域，判断疲劳失效断口为C类完全保载疲劳失效断口；4#试样既不存在疲劳条带特征且未见表面起裂形貌，又未见“小平面”特征及其附近的准解理“河流”花样区域，判断失效断口为D类非疲劳失效断口。
(5)关于B类包含保载效应的混合疲劳失效断口和C类完全保载疲劳失效断口小平面特征验证，在扫描电镜中寻找不少于5处“小平面”特征及其附近的准解理“河流”花样区域，标定小平面特征区域面积S1，标定小平面附近准解理“河流”花样区域面积S2，如图11所示，其中2#试样的9个位置k值平均值为88.3，显示除保载载荷对其断裂失效起到作用外，还包含未断裂部分在较高拉伸载荷下的快速失效共同作用行为，3#试样6个位置k值平均值为359.2，显示保载载荷对其最终失效起到主要作用。

Claims (4)

1.一种基于疲劳断口分析的钛合金保载疲劳失效判定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)疲劳失效断口试样的制备与清洗处理；
(2)对断口试样上疲劳裂纹起裂位置进行初步判断，采用宏观或体式显微镜下观察断口形貌，显微镜放大倍数10～50倍，观察断口形貌，当断口附近呈现扇形的疲劳条带汇聚形态时，初步判断断口上疲劳裂纹起裂位置为表面起裂；否则，初步判断断口上疲劳裂纹起裂位置为非表面起裂；
(3)使用扫描电镜对疲劳失效断口形貌进行细致观察，对步骤(2)中判断为表面起裂的断口试样的分析，确认断口是否存在“小平面”及准解离“河流”花样特征区域，若断口上未发现“小平面”特征及其附近的准解理“河流”花样，则判断断口为A类不包含保载效应的疲劳失效断口；若断口上发现“小平面”特征及其附近的准解理“河流”花样，则判断断口为B类包含保载效应的混合疲劳失效断口；
(4)使用扫描电镜对疲劳失效断口形貌进行细致观察，对步骤(2)中判断为非表面起裂断口试样的分析，确认断口表面是否存在“小平面”特征区域和疲劳条带特征，若断口上发现“小平面”特征及其附近的准解理“河流”花样，且发现疲劳条带特征并根据疲劳条带的垂直和汇集方向可追溯至表面起裂形貌，则判断断口为B类包含保载效应的混合疲劳失效断口；若断口上发现“小平面”特征及其附近的准解理“河流”花样，但未发现疲劳条带特征，则判断断口为C类完全保载疲劳失效断口；若断口上未发现“小平面”特征及其附近的准解理“河流”花样，也未发现疲劳条带特征，则判断断口为D类非疲劳失效断口。
2.根据权利要求1所述的基于疲劳断口分析的钛合金保载疲劳失效判定方法，其特征在于：所述步骤(1)疲劳失效断口试样的制备需保证试样尺寸满足体式显微镜和扫描电镜的尺寸要求，截取断口试样应保留全部潜在的裂纹起裂及扩展区域和部分瞬断区域；断口试样的清洗时需保证断口表面洁净，无污染。
3.根据权利要求1所述的基于疲劳断口分析的钛合金保载疲劳失效判定方法，其特征在于：其中“小平面”特征区域需符合如下特征：表面光滑平整，平面方向近似垂直于载荷施加方向，环绕“小平面”特征区域存在数倍范围的准解理“河流”花样特征区域。
4.根据权利要求1所述的基于疲劳断口分析的钛合金保载疲劳失效判定方法，其特征在于：疲劳条带形貌存在于一个晶粒或多个晶粒中近似平行排列的明暗条带特征。
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