發布日期：2026-4-27 11:07:11
在現代工業領域，鈦合金憑借其優異的比強度、耐腐蝕性能以及良好的高溫性能，廣泛應用于航空航天、汽車制造、生物醫學等關鍵行業，成為眾多高端裝備制造不可或缺的材料［1］ 。例如，航空發動機的葉片、盤件等關鍵部件均采用鈦合金，以滿足在復雜工況下的高性能要求。疲勞是指材料在循環加載下，即使所受應力低于材料的極限強度，經過一定循環次數后，材料產生裂紋并最終斷裂的現象［2］ 。
TC4 合金（Ti-6Al-4V）是一種中等強度的α-β 型兩相鈦合金，含有質量分數為 6% 的 α 相穩定元素 Al 和質量分數為 4% 的 β 相穩定元素V，具有優異的綜合性能，在航空航天工業中獲得廣泛應用［3］。該合金長時間工作溫度可達400 ℃，主要用于制造發動機的風扇和壓氣機盤及葉片，以及飛機結構中的梁、接頭和隔框等重要承力結構件。TA19 合金（Ti-6Al-2Sn-4Zr2Mo）是一種近 α 型鈦合金，合金中 α 相穩定元素Zr、Sn的質量分數分別為4%、2%，β相穩定元素Mo的質量分數為2%，該合金直到540 ℃還具有較高的強度，主要用于制造航空發動機的壓氣機機匣和飛機蒙皮等，最高長期工作溫度為500 ℃。由于兩種合金的使用溫度限制，在選材設計階段經常會對比兩種合金的不同溫度下的高周疲勞性能，并通過性能校核來確定最終選材。本研究通過在鍛件毛坯上取樣測試高周、超高周循環下的疲勞極限強度，對比分析疲勞性能優劣，并通過典型斷口分析產生這種差異的原因。
1、實驗
1.1實驗材料
實驗采用離心葉輪用TC4合金、TA19合金等溫模鍛件毛坯，共3爐10批。TC4合金熱處理制度:955℃~970℃下固溶保溫1h，水冷;700℃±10℃下時效保溫2h，空冷[4]。TA19合金熱處理制度:β相轉變溫度下30℃固溶保溫1h，空冷;595℃±5℃下時效保溫8h，空冷。
1.2實驗方法
在鍛件毛坯圓環弦向部位取樣，取樣完成后進行機加工，隨后去應力退火。按GB/T3075一2021《金屬材料疲勞試樣軸向應力控制方法》要求，加工成標準的軸向拉伸光滑疲勞試樣及缺口疲勞試樣。
疲勞試驗使用電磁諧振疲勞試驗機進行，采用應力控制，加載波形為正弦波，應力比R為0.1，試驗頻率為80~120Hz。對于高溫疲勞試驗，設置試驗溫度，試驗溫度偏差不得超過規定溫度的±2℃。目標循環壽命分別為3×107次、1x108次。
1.3試驗數據處理
采用升降法測定3×107次循環壽命的疲勞極限強度，初始應力水平加載，達到目標循環壽命，判定為存活，下一根試樣應力升高△o，若未達到目標循環壽命，則判定為失效，下一根試樣降低 Δσ，連續的“失效-存活”為一個升降對，當獲得3~5對升降對，試驗停止[5]。升降法中應力水平增量△σ大約為預計疲勞極限值的5%。疲勞極限數據升降圖見表1。表1顯示:在最大應力 σ max 為105 MPa的應力載荷下，達到3×107次循環壽命，判定為存活;加一級應力水平到110MPa，未達到3×107次循環壽命，試樣出現裂紋，判定為失效。后續應力加載及判定方法同上。
升降法結果表(示例)見表2。表2顯示:100~95MPa下的對子應力為97.5MPa，對子數為1個;105~100MPa下的對子應力為102.5 MPa,
對子數為 3個; 110~105 MPa下的對子應力為107.5 MPa,對子數為 1個。升降對總數為 5個,滿足升降法對數要求。
中值疲勞估計量 σ 50 計算見式(1),每級對子應力 σ i ∗ 計算見式(2),疲勞強度子樣標準差 S近似計算見式(3)。
式中: n ∗為配成對子總數,個; n i ∗ 為每級配成對子的個數,個; σ i ∗ 為每級對子應力, MPa。對于指定置信度及存活率的疲勞極限值 y γ,P ,計算公式見式(4)。
式中: y ˉ 為中值疲勞強度估計量, MPa; K y,P 為與置信度和存活率相關的單側容限系數; β為標準差修正系數; S ˉ為疲勞強度子樣標準差, MPa。
2、結果與分析
2.1光滑疲勞
TC4合金和 TA19合金光滑疲勞極限見表 3。表 3顯示:在室溫 (25 ∘C)下, TC4合金 3×107次、 1 × 10 8次循環壽命的光滑疲勞極限分別為 490、448 MPa,顯著優于同等條件下 TA19合金的光滑疲勞極限;而在 350、 450 ∘C下, TA19合金 3×107次循環壽命的光滑疲勞極限分別為 413、390 MPa,高于同等條件下的 TC4合金的光滑疲勞極限。說明 TC4合金在低溫環境下的光滑疲勞性能優于 TA19合金,在中高溫環境下的光滑疲勞性能弱于TA19合金。這是因為TA19合金中 α相穩定元素 Zr、Sn的固溶強化效應提高了合金的強度, β相穩定元素 Mo的固溶強化效應改善了合金的塑性,應變集中使裂紋優先在 β相萌生,在裂紋擴展階段,由于初生 α相的強度高,使裂紋發生偏轉,呈現出更低的裂紋擴展速率,延緩了疲勞裂紋擴展。
表3 TC4合金和TA19合金光滑疲勞極限
Table 3 Smooth fatigue limit of TC4 alloy and TA19 alloy
| 溫度 ∘C | 光滑疲勞極限/MPa | ||
| TC4合金 (3×107次) | TA19合金 (3×107次) | TA19合金 (3×107次) | TA19合金 (3×107次) |
| 25 | 490 | 448 | 389 |
| 200 | 458 | ||
| 300 | 470 | ||
| 350 | 400 | ||
| 450 | 345 | ||
2.2缺口疲勞
TC4合金和 TA19合金缺口疲勞極限見表 4。表 4顯示:在室溫 (25 ∘C)下, TC4合金 3×107次循環壽命的缺口疲勞極限為 187MPa,高于同等條件下 TA19合金的缺口疲勞極限;在 200、 300 ∘C條件下, TA19合金的缺口疲勞極限分別為 175、163 MPa,高于同等條件下 TC4合金的缺口疲勞極限。說明 TA19合金在 200 ∘C以上的缺口疲勞性能優于TC4合金。
表 4 TC4合金和 TA19合金缺口疲勞極限
Table 4 Fatigue limit under notched conditions for TC4 alloy and TA19 alloy
| 溫度 / ∘C | 缺口疲勞極限/MPa | |
| TC4合金 (3×107次) | TA19合金 (3×107次) | TA19合金 (3×107次) |
| 25 | 187 | 164 |
| 200 | 155 | 175 |
| 300 | 151 | 163 |
| 350 | 162 | |
| 450 | 131 | |
2.3斷口檢查
TC4合金疲勞斷口的裂紋大部分起源于試驗件表面。TC4合金起源于表面斷口的典型裂紋見圖 1。圖 1顯示:宏觀斷口裂紋起源于試樣表面,呈現為單源起裂特征,見圖 1(a);裂紋源區可見明顯的撕裂棱和臺階 [6],見圖 1(b);擴展區裂紋較平坦,可見較清晰、細密的疲勞條帶，見圖1(c);瞬斷區裂紋占斷口面積比例較大，未見明顯韌窩，但存在明顯的解理面，見圖1(d)。同時，從TC4合金試樣疲勞斷口中觀察到少量裂紋起源于試樣內部。TC4合金起源于內部斷口的典型裂紋見圖2。圖2顯示:宏觀斷口裂紋從內部單源起裂，呈放射狀擴展[7]，
見圖2(a);裂紋源區未見明顯缺陷，無躉性擁齲氏殖雒饗緣慕飫礱嫣卣鰨�2(b);擴展區可見大量疲勞條帶裂紋，間距相對較寬，見圖2(c);瞬斷區未見明顯韌窩裂紋，但可觀察到少量二次裂紋，見圖2(d)。裂紋起源于內部的試樣對應疲勞循環壽命為2.6610次、9.26x107次、1.37x108次，均為疲勞壽命較長的試樣。這可能是由于在疲勞循環載荷下，鈦合金的裂紋內部起源機制與表面起源機制一直存在競爭關系，當應力水平相對較高時，即通常高周疲勞對應的長壽命情況下(106~107次)，由表面滑移和表面解理為主的失效方式占主導 [8];當應力水平相對較低時，即通常超高周疲勞對應的超長壽命情況下(107~109次)，載荷水平不足以使得裂紋表面快速萌生，此時鈦合金中α相由于脆性特征明顯，成為疲勞“最弱鏈”，裂紋以 α相解理方式從內部起源。
TA19合金起源于表面斷口的典型裂紋見圖3。圖3顯示:宏觀斷口裂紋起源于試驗件表面，疲勞斷口特征與TC4典型表面起裂的斷口一致，均為單一裂紋源，源區附近可見明顯的撕裂棱，見圖3(a)、(b);擴展區較平坦，可見較清晰、細密的疲勞條帶，見圖3(c);瞬斷區韌窩不明顯,存在二次裂紋和解理特征,見圖3(d)。
對于TC4合金在超長壽命下出現少量內部起裂(主要為表面起裂)，而TA19合金在長壽命和超長壽命下均表現為表面起裂的情況，這可能是由于TA19合金作為α相或近α相鈦合金，合金中初生α相形態主要為球形或橢球形，且次生a相形態以棒狀或短棒狀形態為主，初生a相和β轉變組織之間無明顯的顯微組織配錯和應力集中。因此，TA19合金中表面起裂的斷裂機制占主導。TC4合金中初生a相主要為多面體形態，與β轉變組織之間可見明顯平直的界面，但β轉變組織與初生α相在形態、尺寸上有較大差異，內部顯微組織的錯配易引起在脆性α相位置產生應力集中從而萌生裂紋[9]。因此，TC4合金中表面起裂和內部起裂機制相互競爭，會隨機出現表面起裂和內部起裂的不同失效形式;同時，由于TC4合金顯微組織整體較為均勻一致，內部起裂概率較低，主要仍以表面起裂為主。
3、結論
1)TA19合金中α相穩定元素Zr、Sn和β相穩定元素Mo的固溶強化效應，提高了合金的強度與塑性，降低了疲勞裂紋擴展速率，導致中高溫條件下的光滑疲勞極限強度與缺口疲勞極限強度均高于TC4合金，最高使用溫度可達500℃。
2)TC4合金內部顯微組織的錯配，易引起在脆性α相位置產生應力集中從而萌生裂紋，裂紋內部起源機制與表面起源機制存在競爭關系。
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（注，原文標題：TC4合金和TA19合金高周疲勞性能對比及失效行為研究_羅作煒）