ti-6al-4v合金的微動(dòng)疲勞特性及其評(píng)價(jià)方法

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1、http://www.paper.edu.cn1Ti-6Al-4V合金的微動(dòng)疲勞特性及其評(píng)價(jià)方法12許金泉，武藤睦治1上海交通大學(xué)工程力學(xué)系，上海（200240）2日本長(zhǎng)岡技術(shù)科學(xué)大學(xué)機(jī)械系，日本（940-2188）E-mail：jqxu@sjtu.edu.cn摘要：在普通鋼材的微動(dòng)疲勞中，由于接觸界面端部的應(yīng)力奇異性，疲勞裂紋萌生于壽命的初期，因而可以忽略裂紋萌生壽命，從疲勞裂紋擴(kuò)展的角度，對(duì)壽命進(jìn)行定量的評(píng)價(jià)。Ti-6Al-4V合金的微動(dòng)疲勞特性有很大的不同，疲勞裂紋萌生在壽命的后期，一經(jīng)產(chǎn)生疲勞裂紋就會(huì)急速擴(kuò)展直至破壞，因此應(yīng)從疲勞裂紋萌生的角度，來對(duì)其進(jìn)行壽命分析。

2、本文首先進(jìn)行了Ti-6Al-4V合金的微動(dòng)疲勞實(shí)驗(yàn)，結(jié)合數(shù)值分析結(jié)果，提出了基于接觸界面端部應(yīng)力強(qiáng)度系數(shù)的評(píng)價(jià)方法。該方法可以排除載荷形式和實(shí)驗(yàn)條件的影響，為裂紋萌生支配型的微動(dòng)疲勞的強(qiáng)度和壽命評(píng)價(jià)，提供一種統(tǒng)一的方法。關(guān)鍵詞：微動(dòng)疲勞，疲勞裂紋萌生，奇異應(yīng)力場(chǎng)，疲勞壽命中圖分類號(hào)：O343.31.引言大多數(shù)材料在承受微動(dòng)疲勞時(shí)，其疲勞裂紋都萌生在壽命的極早期（約在壽命的5%前[1][2]后），其原因是因?yàn)樵诮佑|界面端部，存在一個(gè)奇異的應(yīng)力變化幅度場(chǎng)。因此，可以[3]通過疲勞裂紋在混合模態(tài)下的擴(kuò)展行為，來進(jìn)行疲勞壽命的分析和評(píng)價(jià)。但人們也發(fā)現(xiàn)，[4]鈦鋁合金的微動(dòng)疲勞則呈現(xiàn)

3、完全不同的特性，其疲勞裂紋萌生在壽命的極后期，其原因是這種材料中的疲勞裂紋一經(jīng)出現(xiàn)，一般就會(huì)急速擴(kuò)展直至斷裂（疲勞擴(kuò)展的門檻值較?。?，[5]也已有一些從材料微觀結(jié)構(gòu)來說明這一特性的文獻(xiàn)。從工程應(yīng)用的角度，這實(shí)際上意味著我們可以通過對(duì)微動(dòng)疲勞初始裂紋的萌生的評(píng)價(jià)，來進(jìn)行壽命分析。對(duì)這類裂紋萌生壽命占[6]支配地位的微動(dòng)疲勞的評(píng)價(jià)，目前也主要仍以公稱循環(huán)應(yīng)力作為評(píng)價(jià)的依據(jù)，而受到諸多實(shí)驗(yàn)條件的影響(例如壓頭壓力發(fā)生變化時(shí)即需另行實(shí)驗(yàn)求取S-N曲線等)，不能得到其本質(zhì)性的微動(dòng)疲勞特性。本文以接觸界面端部的奇異應(yīng)力幅度場(chǎng)的強(qiáng)度系數(shù)為參數(shù)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)m結(jié)果，提出了NK=C形式的簡(jiǎn)潔而本

4、質(zhì)性的裂紋萌生壽命的評(píng)價(jià)方法。f2.微動(dòng)疲勞實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果利用圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置，將試件裝于高頻疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)（加載頻率300Hz），即可進(jìn)行[7]微動(dòng)疲勞實(shí)驗(yàn)。Shirai通過對(duì)循環(huán)載荷頻率分別為10,50,100和300Hz的疲勞實(shí)驗(yàn)證明，頻率對(duì)微動(dòng)疲勞的影響是可以忽略的。本實(shí)驗(yàn)中對(duì)壓頭(Pad)施加的壓力，是通過圖2所示的加載圈施加的，利用應(yīng)變片的輸出，按要求的壓力（本實(shí)驗(yàn)中使壓頭產(chǎn)生60MPa的平均壓力，即480N），事先將加載圈與壓頭及其夾持片一起固定試件上。試件為Ti-6Al-4V棒材經(jīng)機(jī)加工得到，試驗(yàn)部具有兩個(gè)平行的表面，其表面未經(jīng)研磨，僅作洗凈處理。試件的形狀和尺

5、寸如圖3a所示，壓頭及夾持片為結(jié)構(gòu)鋼(SM430A)，其形狀和尺寸如圖3b,c所示。之所以采用這種單側(cè)固定的夾持片，是因?yàn)樵诟哳l加載條件下，常用的橋式壓頭會(huì)在試驗(yàn)過程中發(fā)生滑落，不能保證實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行。試件和壓頭的材料常數(shù)如表1所示。在各種循環(huán)應(yīng)力幅下，進(jìn)行對(duì)稱循環(huán)下的疲勞實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，其中箭頭表示未發(fā)生破斷。對(duì)1本課題得到教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(微動(dòng)疲勞新理論，項(xiàng)目編號(hào)20030248061)的資助。-1-http://www.paper.edu.cn于發(fā)生疲勞斷裂的試驗(yàn)（循環(huán)應(yīng)力在公稱疲勞極限130MPa以上），為了確認(rèn)疲勞裂紋萌生壽命的支配地位，進(jìn)行了參

6、照組的實(shí)驗(yàn)，即在斷裂壽命的90%的循環(huán)數(shù)時(shí)中止疲勞實(shí)驗(yàn)，用電鏡觀察裂紋的萌生情況，結(jié)果均未能觀察到初始疲勞裂紋，說明疲勞裂紋的萌生發(fā)生在剩下的10%壽命里。有意思的是，在公稱疲勞極限σ=130MPa下進(jìn)行的疲勞實(shí)驗(yàn)的三個(gè)a7試件中，其中有一個(gè)試件在10循環(huán)后，表面觀測(cè)到了初始疲勞裂紋，如圖5所示。這意味7著試件有可能在超長(zhǎng)壽命階段發(fā)生疲勞破壞，在普通鋼材的微動(dòng)疲勞中，通常10循環(huán)后未[8]破壞的試件，在承受超長(zhǎng)壽命疲勞時(shí)仍會(huì)發(fā)生破壞，但對(duì)于本試件材料另外進(jìn)行的超長(zhǎng)壽9命疲勞實(shí)驗(yàn)卻顯示在這一循環(huán)應(yīng)力水平下，即使到10循環(huán)的超長(zhǎng)壽命（利用頻率300Hz的試驗(yàn)機(jī)約需1個(gè)月左右的時(shí)

7、間），也未發(fā)生疲勞破壞。其縱斷面的觀測(cè)結(jié)果表明（圖6），該疲勞裂紋的深度很小，約在10-90μm之間（其中已包含縱斷面加工時(shí)的影響）。這說明，即使產(chǎn)生疲勞裂紋，只要其不擴(kuò)展，就不會(huì)導(dǎo)致破壞，因此，疲勞極限實(shí)際上對(duì)應(yīng)于疲勞裂[9]紋擴(kuò)展的門檻值，而不是其萌生極限。但從本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來看，3個(gè)試件中只有一個(gè)觀察到初始裂紋，表明裂紋萌生極限與擴(kuò)展門檻值對(duì)應(yīng)的應(yīng)力幅值是非常接近的，從工程應(yīng)用的角度，可以不做區(qū)別。Specimen150140δ=18PadStraingageStraingage80圖1實(shí)驗(yàn)示意圖圖2壓頭壓力加