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[摘 要]对TC4钛合金进行了超声疲劳试验和旋转弯曲疲劳实验，在108周次内没有发现工程上的疲劳极限，试样在应力循环超过107周次后依然会失效。从整体上看，在相同的应力条件下，低频条件下试样疲劳寿命高于高频疲劳试样寿命。在超声加载频率下，试样破坏方式主要表现为脆性破坏；在低频条件下，试样从高应力幅低寿命区域向低应力幅高寿命区域发展的过程中，破坏方式逐渐由脆性破坏向塑性破坏方式转变。
[关键词]TC4钛合金，加载频率，疲劳强度
中图分类号：V232；V231.9 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）11-0117-03
引言
钛合金具有密度小，强度高等优异性能，在航空中的应用极为广泛，尤其是用于制造航空发动机风扇和压气机的轮盘与叶片等构件。当钛合金用于飞机发动机涡轮叶片时，这些部件在服役期间除了要承受一定的温度载荷外，还要达到承受超过107周次应力循环的要求。美国空军已经在“发动机结构完整性大纲 ENSIP（Engine Structural Integrity Pro-gram）”中规定“发动机部件的高周疲劳寿命应达到109 循环周次”[1]，目前工程上根据107所对应的疲劳极限来进行设计越来越凸显出不足。国内外有许多学者对钛合金的疲劳性能进行过研究[2-6]，包括加载频率[7]对疲劳寿命的影响方面做了相关的研究。关于频率对疲劳寿命是否有影响，不同的学者根据自己的研究结果，所持的观点也不同。Miller[8]等认为，温度的影响将使实验结果不能与常温下的结果做比较。Bathias[9]则认为在107周次以上的疲劳试验中，由于塑性应变非常小，所引起的温度变化可以忽略不计。Liaw P K[10]等的研究表明，压力容器钢的高频加载疲劳强度低于低频加载的情况。何玉怀等[11]的研究结果显示加载频率的改变对直接时效GH4169高温合金疲劳裂纹扩展性能基本没有影响。因此对于加载频率对疲劳寿命是否有影响，还需要做进一步的研究。本实验对TC4钛合金选取了两种不同加载频率的试验方法，做了超声疲劳实验和旋转弯曲疲劳实验，对结果做了对比分析，得到了相关的结论。
1 试样的制备与试验方法
本试验采用的是650℃退火1.5h的TC4钛合金，抗拉强度为959MPa，屈服强度为941MPa。化学成分（wt%）为：6.0Al，4.0V，0.15Fe，0.10C，0.01N，0.015H，0.13O，余Ti。
根据谐振动力学微分方程[12]设计试样如下，超声疲劳试样中间部分用圆弧代替。超声疲劳实验采用岛津USF-2000型超声疲劳试验机在室温下进行，同时实验采用压缩空气降温法，防止超声实验时试样温度升温过高[13，14]，同时设置间歇比为1：10（试验机工作110毫秒，停歇1100毫秒）。旋转弯曲疲劳实验采用四联式旋转弯曲疲劳试验机，试样如图2所示，实验在常温下进行。试验应力比均为R=-1。试验结束后，对试样断面进行超声波清洗处理，最后在扫描电镜下进行断口观察（图1、图2）。
2.实验结果与讨论
2.1 S-N曲线
从图3超声疲劳实验和旋转弯曲疲劳实验的S-N曲线对比来看，两种实验条件下，在超过108周次后，试样依然发生失效，在108应力循环周次内没有出现工程上的疲劳极限。同时从整体上看，低频试样的疲劳寿命整体上要高于高频疲劳试样，类似的结果也在Liaw P K[10]的研究中出现过。
本实验的结果显示，两种加载频率下，试样的疲劳寿命有一定的区别。加载频率对试样的寿命是如何影响的。一般来说频率对疲劳寿命的影响主要通过两个方面来体现，一是高的加载频率实验时试样可能会产生升温，当温度达到一定程度后会对材料的属性产生影响，进而影响材料的疲劳寿命；二是高的频率会对材料的应变产生影响，采用超声疲劳试验方法，频率达到20kHz，如此高的频率下，有可能材料的应变速率跟不上频率的变化，从而影响材料的疲劳寿命。本实验的结果显示频率对材料的疲劳寿命产生了一定的影响，但是具体是如何影响的，后文将进一步分析。
2.2 断口形貌分析
图4为超声疲劳试验（a，b）8.5×104周次和旋转弯曲疲劳实验（c，d）5.1×104周次的试样断口形貌，两种试样的断口裂纹源附近断口都很平整，在裂纹源附近区域有很多短小不连续的河流状花纹，这是典型的解理断裂特征，因此两种试样的破坏方式都表现为脆性破坏。断口相对较平整，说明裂纹在扩展时速度非常快。
图5所示为超声疲劳试验（a，b）2.03×105周次和旋转弯曲疲劳实验（c，d）2.72×106周次的试样断口形貌图，从图5（a）可以看出，超声疲劳试样断口相对平整，对断口上的裂纹扩展路径上的部分区域放大，可以观察到有许多断断续续的河流状花纹，说明超声疲劳试样高周阶段也是呈现解理断裂，试样的破坏方式表现为脆性破坏。
对图5（c）2.72×106周次的旋转弯曲疲劳试样断口形貌进行观察可以看到，在裂纹源附近区域，可以看到大量的韧窝，说明试样破坏过程中发生了大量的塑性变形。对裂纹源扩展路径上的区域放大后观察到，裂纹扩展路径上靠近表面的部分相对平整，说明裂纹扩展初期，试样的破坏方式存在有解理破坏，但是随着裂纹向内扩展，可以看到在扩展路径上有很多的韧窝，这就说明裂纹在扩展过程开始向塑性破坏转变，因此旋转弯曲疲勞试样的破坏方式与超声疲劳试样在高周阶段显现出不同，试样的破坏方式由脆性破坏向塑性破坏转变。
对图6的两种超高周试样的断口形貌进行观察，发现两种试样的断口呈现的特征是有区别的。对于1.72×108周次超声疲劳试样，断口上有大量的短小不连续的河流状花样，同时对裂纹源附近的区域放大可以看到，该区域断口上出现有大量冰糖状的晶粒，这是由于裂纹沿着晶界扩展造成的，所以会出现这样的形貌，其破坏方式主要表现为解理破坏。 而对于1.96×108周次旋转弯曲疲劳试样来说，在裂纹源处有大量的韧窝出现，如图（a）所示，说明在裂纹萌生扩展的过程中发生了大量的塑性变形，试样是以塑性破坏主导的，这与超声疲劳试验的脆性破坏方式是有区别的。
通过对以上不同加载频率下的试样断口对比可以发现，在低周阶段不同频率下没有明显区别，都是以脆性破坏主导的破坏方式。
在高周阶段，两者的断口开始显示出不同，超声疲劳试样的失效形式仍然是以脆性破壞主导，但是旋转弯曲疲劳试验的破坏形式则表现为开始以脆性破坏为主，进而转变为塑性破坏为主，是一个由脆性破坏向塑性破坏转变的过程。
在超高周阶段，两种加载频率下试样的失效方式则有很大的区别，超声疲劳试样主要是解理断裂，破坏方式表现为脆性破坏。而对于旋转弯曲疲劳试样，从大量韧窝就可以看出，整个破坏过程中是以塑性破坏主导的，试样破坏过程中发生了大量的塑性变形，试样失效形式表现为塑性破坏。
因此，综上所述，超声疲劳试验，试样的破坏方式主要表现为脆性破坏，而旋转弯曲疲劳试验，试样从高应力幅低寿命区域向低应力幅高寿命区域发展的过程中，破坏方式逐渐由脆性破坏向塑性破坏方式转变。
3 结论
1、 在不同的加载频率下，试样在应力循环超过107周次仍然会发生断裂。
2、不同的加载频率下试样的疲劳寿命有所差别，从整体上看，在相同应力条件下，低频疲劳试样的寿命要高于高频疲劳试样寿命。
3、超声疲劳实验试样的破坏方式主要表现为脆性破坏；旋转弯曲疲劳试验，试样从高应力幅低寿命区域向低应力幅高寿命区域发展的过程中，破坏方式逐渐由脆性破坏向塑性破坏方式转变。
参考文献
[1] Morrissey R J，Golden P J.Fatigue strength of a single crystal in the gigacycle regime [J].International Journal of Fatigue，2007，29（9）：2079-2084.
[2] Ritchie，Davidson， Boyce，et al.High-cycle fatigue of Ti–6Al 4V[J].Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures， 1999，22（7）：621-631.
[3] 董鑫， 李培源， 王旭等.腐蚀对钛合金超高周疲劳性能的影响[J].机械工程材料， 2014， 38（11）：76-79.
[4] Bantounas I，Dye D，Lindley T C.The effect of grain orientation on fracture morphology during high-cycle fatigue of Ti–6Al–4V[J].Acta Materialia， 2009， 57（12）：3584-3595.
[5] 李业欣，张银东，张鑫佳.TC4钛合金摇臂表面完整性研究[J].失效分析与预防， 2016， 11（1）：47-50.
[6] Zuo J H，Wang Z G，Han E H.Effect of microstructure on ultra-high cycle fatigue behavior of Ti-6Al-4V[J].Materials Science & Engineering A，2008，473（1-2）：147-152.
[7] Furuya Y，Matsuoka S，Abe T，et al.Gigacycle fatigue properties for high-strength low-alloy steel at 100 Hz，600 Hz，and 20 kHz[J].Scripta Materialia，2002，46（2）：157-162.
[8] K.J.Miller， A historical perspective of the important parameters of metal fatigue and problems for the next century， in：X.R.Wu and Z.G.Wang （editors）， Proc. Fatigue’99，Vol.1 EMAS Cradley Heath， U.K（1999），pp.15-39.
[9] Bathias.There is no infinite fatigue life in metallic materials [J].Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures，1999， 22（7）：559-565.
[10] Liaw P K，Wang H，Jiang L，et al.Thermographic detection of fatigue damage of pressure vessel steels at 1，000 Hz and 20 Hz[J]. Scripta Materialia， 2000，42（4）：389-395.
[11] 何玉怀，郭伟彬， 蔚夺魁，等.加载频率对直接时效GH4169高温合金疲劳裂纹扩展性能的影响[J].失效分析与预防，2008，3（1）：10-14.
[12][7] 闫桂玲，王弘，高庆.超声疲劳试验方法及其应用[J].力学与实践， 2004，26（6）：25-29.
[13] 薛红前，杨斌堂，Bathias C..高频载荷下高强度钢的超高周疲劳及热耗散研究[J].材料工程，2009，30（3）：49-53.
[14] Morrissey R J，Nicholas T. Fatigue strength of Ti–6Al–4V at very long lives[J].International Journal of Fatigue，2005，27（10-12）：1608-1612.
[关键词]TC4钛合金，加载频率，疲劳强度
中图分类号：V232；V231.9 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）11-0117-03
引言
钛合金具有密度小，强度高等优异性能，在航空中的应用极为广泛，尤其是用于制造航空发动机风扇和压气机的轮盘与叶片等构件。当钛合金用于飞机发动机涡轮叶片时，这些部件在服役期间除了要承受一定的温度载荷外，还要达到承受超过107周次应力循环的要求。美国空军已经在“发动机结构完整性大纲 ENSIP（Engine Structural Integrity Pro-gram）”中规定“发动机部件的高周疲劳寿命应达到109 循环周次”[1]，目前工程上根据107所对应的疲劳极限来进行设计越来越凸显出不足。国内外有许多学者对钛合金的疲劳性能进行过研究[2-6]，包括加载频率[7]对疲劳寿命的影响方面做了相关的研究。关于频率对疲劳寿命是否有影响，不同的学者根据自己的研究结果，所持的观点也不同。Miller[8]等认为，温度的影响将使实验结果不能与常温下的结果做比较。Bathias[9]则认为在107周次以上的疲劳试验中，由于塑性应变非常小，所引起的温度变化可以忽略不计。Liaw P K[10]等的研究表明，压力容器钢的高频加载疲劳强度低于低频加载的情况。何玉怀等[11]的研究结果显示加载频率的改变对直接时效GH4169高温合金疲劳裂纹扩展性能基本没有影响。因此对于加载频率对疲劳寿命是否有影响，还需要做进一步的研究。本实验对TC4钛合金选取了两种不同加载频率的试验方法，做了超声疲劳实验和旋转弯曲疲劳实验，对结果做了对比分析，得到了相关的结论。
1 试样的制备与试验方法
本试验采用的是650℃退火1.5h的TC4钛合金，抗拉强度为959MPa，屈服强度为941MPa。化学成分（wt%）为：6.0Al，4.0V，0.15Fe，0.10C，0.01N，0.015H，0.13O，余Ti。
根据谐振动力学微分方程[12]设计试样如下，超声疲劳试样中间部分用圆弧代替。超声疲劳实验采用岛津USF-2000型超声疲劳试验机在室温下进行，同时实验采用压缩空气降温法，防止超声实验时试样温度升温过高[13，14]，同时设置间歇比为1：10（试验机工作110毫秒，停歇1100毫秒）。旋转弯曲疲劳实验采用四联式旋转弯曲疲劳试验机，试样如图2所示，实验在常温下进行。试验应力比均为R=-1。试验结束后，对试样断面进行超声波清洗处理，最后在扫描电镜下进行断口观察（图1、图2）。
2.实验结果与讨论
2.1 S-N曲线
从图3超声疲劳实验和旋转弯曲疲劳实验的S-N曲线对比来看，两种实验条件下，在超过108周次后，试样依然发生失效，在108应力循环周次内没有出现工程上的疲劳极限。同时从整体上看，低频试样的疲劳寿命整体上要高于高频疲劳试样，类似的结果也在Liaw P K[10]的研究中出现过。
本实验的结果显示，两种加载频率下，试样的疲劳寿命有一定的区别。加载频率对试样的寿命是如何影响的。一般来说频率对疲劳寿命的影响主要通过两个方面来体现，一是高的加载频率实验时试样可能会产生升温，当温度达到一定程度后会对材料的属性产生影响，进而影响材料的疲劳寿命；二是高的频率会对材料的应变产生影响，采用超声疲劳试验方法，频率达到20kHz，如此高的频率下，有可能材料的应变速率跟不上频率的变化，从而影响材料的疲劳寿命。本实验的结果显示频率对材料的疲劳寿命产生了一定的影响，但是具体是如何影响的，后文将进一步分析。
2.2 断口形貌分析
图4为超声疲劳试验（a，b）8.5×104周次和旋转弯曲疲劳实验（c，d）5.1×104周次的试样断口形貌，两种试样的断口裂纹源附近断口都很平整，在裂纹源附近区域有很多短小不连续的河流状花纹，这是典型的解理断裂特征，因此两种试样的破坏方式都表现为脆性破坏。断口相对较平整，说明裂纹在扩展时速度非常快。
图5所示为超声疲劳试验（a，b）2.03×105周次和旋转弯曲疲劳实验（c，d）2.72×106周次的试样断口形貌图，从图5（a）可以看出，超声疲劳试样断口相对平整，对断口上的裂纹扩展路径上的部分区域放大，可以观察到有许多断断续续的河流状花纹，说明超声疲劳试样高周阶段也是呈现解理断裂，试样的破坏方式表现为脆性破坏。
对图5（c）2.72×106周次的旋转弯曲疲劳试样断口形貌进行观察可以看到，在裂纹源附近区域，可以看到大量的韧窝，说明试样破坏过程中发生了大量的塑性变形。对裂纹源扩展路径上的区域放大后观察到，裂纹扩展路径上靠近表面的部分相对平整，说明裂纹扩展初期，试样的破坏方式存在有解理破坏，但是随着裂纹向内扩展，可以看到在扩展路径上有很多的韧窝，这就说明裂纹在扩展过程开始向塑性破坏转变，因此旋转弯曲疲勞试样的破坏方式与超声疲劳试样在高周阶段显现出不同，试样的破坏方式由脆性破坏向塑性破坏转变。
对图6的两种超高周试样的断口形貌进行观察，发现两种试样的断口呈现的特征是有区别的。对于1.72×108周次超声疲劳试样，断口上有大量的短小不连续的河流状花样，同时对裂纹源附近的区域放大可以看到，该区域断口上出现有大量冰糖状的晶粒，这是由于裂纹沿着晶界扩展造成的，所以会出现这样的形貌，其破坏方式主要表现为解理破坏。 而对于1.96×108周次旋转弯曲疲劳试样来说，在裂纹源处有大量的韧窝出现，如图（a）所示，说明在裂纹萌生扩展的过程中发生了大量的塑性变形，试样是以塑性破坏主导的，这与超声疲劳试验的脆性破坏方式是有区别的。
通过对以上不同加载频率下的试样断口对比可以发现，在低周阶段不同频率下没有明显区别，都是以脆性破坏主导的破坏方式。
在高周阶段，两者的断口开始显示出不同，超声疲劳试样的失效形式仍然是以脆性破壞主导，但是旋转弯曲疲劳试验的破坏形式则表现为开始以脆性破坏为主，进而转变为塑性破坏为主，是一个由脆性破坏向塑性破坏转变的过程。
在超高周阶段，两种加载频率下试样的失效方式则有很大的区别，超声疲劳试样主要是解理断裂，破坏方式表现为脆性破坏。而对于旋转弯曲疲劳试样，从大量韧窝就可以看出，整个破坏过程中是以塑性破坏主导的，试样破坏过程中发生了大量的塑性变形，试样失效形式表现为塑性破坏。
因此，综上所述，超声疲劳试验，试样的破坏方式主要表现为脆性破坏，而旋转弯曲疲劳试验，试样从高应力幅低寿命区域向低应力幅高寿命区域发展的过程中，破坏方式逐渐由脆性破坏向塑性破坏方式转变。
3 结论
1、 在不同的加载频率下，试样在应力循环超过107周次仍然会发生断裂。
2、不同的加载频率下试样的疲劳寿命有所差别，从整体上看，在相同应力条件下，低频疲劳试样的寿命要高于高频疲劳试样寿命。
3、超声疲劳实验试样的破坏方式主要表现为脆性破坏；旋转弯曲疲劳试验，试样从高应力幅低寿命区域向低应力幅高寿命区域发展的过程中，破坏方式逐渐由脆性破坏向塑性破坏方式转变。
参考文献
[1] Morrissey R J，Golden P J.Fatigue strength of a single crystal in the gigacycle regime [J].International Journal of Fatigue，2007，29（9）：2079-2084.
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[5] 李业欣，张银东，张鑫佳.TC4钛合金摇臂表面完整性研究[J].失效分析与预防， 2016， 11（1）：47-50.
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[7] Furuya Y，Matsuoka S，Abe T，et al.Gigacycle fatigue properties for high-strength low-alloy steel at 100 Hz，600 Hz，and 20 kHz[J].Scripta Materialia，2002，46（2）：157-162.
[8] K.J.Miller， A historical perspective of the important parameters of metal fatigue and problems for the next century， in：X.R.Wu and Z.G.Wang （editors）， Proc. Fatigue’99，Vol.1 EMAS Cradley Heath， U.K（1999），pp.15-39.
[9] Bathias.There is no infinite fatigue life in metallic materials [J].Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures，1999， 22（7）：559-565.
[10] Liaw P K，Wang H，Jiang L，et al.Thermographic detection of fatigue damage of pressure vessel steels at 1，000 Hz and 20 Hz[J]. Scripta Materialia， 2000，42（4）：389-395.
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[12][7] 闫桂玲，王弘，高庆.超声疲劳试验方法及其应用[J].力学与实践， 2004，26（6）：25-29.
[13] 薛红前，杨斌堂，Bathias C..高频载荷下高强度钢的超高周疲劳及热耗散研究[J].材料工程，2009，30（3）：49-53.
[14] Morrissey R J，Nicholas T. Fatigue strength of Ti–6Al–4V at very long lives[J].International Journal of Fatigue，2005，27（10-12）：1608-1612.