单多轴变幅加载下TC21钛合金疲劳特性

田玉杰， 尚德广， 陈 宏， 刘建中

(1.北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京100124;2.北京航空材料研究院，北京100095)

钛及钛合金相对于其他金属材料具有密度低、比强度高、耐腐蚀性能好等优点，因此逐渐被广泛应用于各个工业领域，尤其在航空工业中的应用范围越来越广［1］。TC21钛合金是为了满足航空飞行器要求而研制的高强韧新型钛合金，因此在航空领域应用中具有重要地位。

工程部件由于结构复杂或同时承受多个方向上的交变载荷，通常呈现三维应力应变状态，容易产生疲劳破坏［2］，从而造成重大安全事故。目前对钛合金单轴疲劳特性［3～8］和微观方面的研究［9～11］已经较为成熟，而多轴疲劳特性方面的研究［12］相对较少。在变幅疲劳方面，有诸多学者对于单轴变幅载荷的高低载荷加载顺序对疲劳寿命的影响进行了研究。蒋小松等人［13］研究了单轴恒、变幅载荷对于疲劳寿命的影响，并且从微观角度给予了解释。颜鸣皋等人［14］在变幅载荷下对几种飞机结构材料的疲劳裂纹扩展行为及其寿命预测方法进行了评述，并报道了铝和钛合金在不同类型超载下的迟滞效应与扩展机制。在金属多轴变幅疲劳特性方面，Shang等人［15］研究了GH4169合金在多轴变幅载荷下的高温特性，并发现在拉伸和扭转方向上有不同的软硬化特性。有学者着手对恒幅单轴和低周下TC21钛合金的特性进行研究［1，9］，而对于TC21钛合金在变幅载荷下的研究较少，本工作研究了TC21钛合金多轴载荷下疲劳特性和多轴变幅载荷下的疲劳性能。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料与试件

试件材料为TC21钛合金，化学成分如表1所示，力学性能如表2所示。薄壁管试件形状尺寸如图1所示。

图1 试件形状及尺寸Fig.1 Shape and size of specimen

1.2 试验方法

疲劳试验在MTS 858拉扭电液伺服疲劳试验机上进行，使用MTS632.68F-08型拉扭引伸计进行拉-扭应变控制加载，引伸计标距为25mm。所有试验均采用正弦波加载，试验频率为1Hz。加载路径如图2所示。时间的具体加载参数见表3。

表1 TC21钛合金的化学成分(质量分数/%)Table 1 Chemical composition of TC21 titanium(mass fraction/%)

表2 TC21钛合金的力学性能Table 2 Mechanical properties of TC21 titanium

图2 加载应变路径示意图 (a)单轴拉压;(b)单轴纯扭;(c)拉扭比例;(d)拉扭45°非比例;(e)拉扭90°非比例Fig.2 Loading paths (a)tension loading;(b)torsion loading;(c)proportional loading; (d)45°non-proportional loading;(e)90°non-proportional loading

表3 疲劳试验加载控制参数Table 3 Multiaxial fatigue loading parameters

2 恒幅加载下的疲劳性能

2.1 单轴恒幅加载下的疲劳性能

图3为试件在A，B载荷下的应力-循环寿命曲线。由图3可以看出，A载荷下即等效应变幅值Δεeq/2=0.75%时，拉伸应力最大值在循环寿命前期减小明显，后期变化不明显，这说明材料在循环寿命前期存在明显软化但后期软化不明显的情况。前期软化过程大约占整个寿命循环周期的35%，后面过程由于软化不明显可以认为基本稳定。B载荷下等效应变幅值Δεeq/2=0.55%时拉伸应力最大值在整个寿命周期基本稳定，只在初期有一点微弱的变化，然后迅速达到稳定直至试件出现裂纹。

由此可知，该钛合金单轴拉压下的疲劳特性表现为循环软化，且软化程度与加载应变幅值大小有关，应变幅值越大钛合金循环软化越明显。

图3 单轴拉压加载下应力寿命曲线Fig.3 Change ofmaximum axial stress with cycle number under tension loading

图4为试件在纯扭载荷C，D，E下的应力-循环寿命曲线。由图4可以看出，在C和D载荷下，扭转最大应力在循环寿命周期前期明显减小，然后达到基本稳定。说明材料经过寿命初期迅速软化后达到基本稳定。在E载荷下，扭转最大应力在整个循环寿命周期基本保持不变，可以认为处于稳定状态。

比较三条曲线可以看出，TC21钛合金在等效应变幅值Δεeq/2=1.0%时前期的软化过程比等效应变幅值 Δεeq/2=0.8%时明显;当等效应变幅值Δεeq/2=0.6%时，合金没有出现明显软化现象。由此可知，TC21钛合金在纯扭转加载时表现出软化特征。软化程度与其所受的等效应变幅值大小有关，等效应变幅值越大，循环软化越明显。

图4 单轴纯扭加载下应力寿命曲线Fig.4 Change ofmaximum shear stresswith cycle number under torsion loading

2.2 多轴恒幅加载下的疲劳性能

图5为多轴比例载荷F加载时的应力-循环寿命曲线，控制等效应变幅值Δεeq/2=1.0%。由图可知，拉伸应力最大值和扭转剪应力最大值在循环寿命初期均迅速减小，到总寿命的30%时达到基本稳定;后期的循环过程中应力最大值均有微弱的减小，但变化过程不明显;由此可知，多轴比例加载下TC21钛合金在拉伸和扭转载荷下均表现出循环软化特性。

图5 比例加载下应力寿命曲线Δεeq/2=1.0%Fig.5 Change ofmaximum stress with cycle number under proportional loadingΔεeq/2=1.0%

图6、图7为多轴非比例载荷G，H加载时应力-循环寿命曲线，拉伸与扭转方向应变控制命令相位差为90°。由图6可知，控制等效应变幅值Δεeq/2 =1.0%时，轴向拉伸应力最大值和扭转剪切应力最大值在循环初期明显降低，然后基本达到稳定。

由图7可以看出，控制等效应变幅值Δεeq/2= 0.6%时，扭转剪切应力最大值在整个循环寿命周期内略有减小，但变化不明显。拉伸应力最大值在整个循环寿命周期内呈现降低趋势。

由此可知，TC21钛合金在多轴非比例载荷下表现循环软化的特性，且软化程度和其所受载荷大小有关，控制应变载荷幅值越大软化过程越明显。

3 变幅加载下的疲劳特性

3.1 纯扭变幅加载下的疲劳性能

图8为纯扭变幅载荷J下的扭转剪应力寿命曲线，各级等效应变幅值依次为0.4%，0.6%，0.8%和1.0%，每一级载荷加载20周。由图中可以看出，在循环寿命前期，材料表现出循环软化特性，在半寿命附近材料的应力响应达到基本稳定。由材料在整个循环寿命周期内的扭转应力响应可以看出，TC21钛合金在扭转变幅块载荷下表现出循环软化。

图8 纯扭变幅载荷J下剪应力寿命曲线Fig.8 Change ofmaximum shear stress with cycle number under variable amplitude torsional loading J

图9为TC21钛合金在第一个循环载荷块和半寿命附近一个载荷块内的扭转应力响应曲线。图中每一级应力响应曲线前的点都是由于试验控制引起的载荷过渡点。两个载荷块内相同的控制应变载荷水平下的扭转应力响应均有不同程度的降低。等效应变幅Δεeq/2=0.4%的第一级控制应变水平下，合金在第一个载荷块内经过几周的软化之后迅速达到稳定，在半寿命附近的载荷块内材料一直处于硬化状态。等效应变幅Δεeq/2=0.6%的第二级控制应变水平下，合金在第一个载荷块内经过几周的软化之后迅速达到稳定，在半寿命附近的载荷块内材料经过开始几周的稳定之后马上进入硬化状态。等效应变幅Δεeq/2=0.8%的第三级控制应变水平下，合金在第一个载荷块内经过开始几周的稳定之后进入软化状态，在半寿命附近的载荷块内合金经过开始几周的稳定之后马上进入缓慢软化状态。等效应变幅Δεeq/2 =1.0%的第四级控制应变水平下，合金在第一个载荷块内经过开始几周的稳定之后进入快速软化状态，在半寿命附近的载荷块内合金经过几周之后进入软化状态，且软化过程比上一级应变水平下更为明显。

图9 载荷J下两个载荷块内的剪应力寿命曲线Fig.9 Change ofmaximum shear stress with cycle number of two blocks under loading J

3.2 多轴变幅加载下的疲劳性能

图10为等效控制应变幅分别为0.8%，0.6%和0.4%的90°非比例块载荷K下的轴向拉伸应力寿命曲线。由图可以看出，每一个载荷块内0.8%应变幅加载时均表现出软化的现象。而在0.6%和0.4%应变水平下，在每一个载荷块内，材料都表现出硬化现象。这说明大应变载荷下的非比例加载对材料的轴向拉压特性具有强化作用，使后面的小应变载荷下的循环特性出现硬化现象。纵观整个寿命周期，TC21钛合金在90°非比例变幅载荷下在拉伸方向表现出软化特征。

图10 90°非比例变幅块载荷K下拉伸方向应力寿命曲线Fig.10 Change ofmaximum axial stress with cycle number under 90°non-proportional variable amplitude loading K

图11为等效应变幅分别为0.8%，0.6%和0.4%的90°非比例块载荷K下的扭转剪应力寿命曲线。图中，载荷由一级变为另一级载荷时由于控制的原因，都会变为较低的水平再加载至目标值，所以会出现图中的细长线。由图可以看出，在0.8%的应变水平下，剪应力在每个载荷块内都是软化。在0.6%应变水平下，剪应力最大值在每个载荷块内基本保持稳定。0.4%应变水平下，剪应力在每个载荷块内都是硬化。并且可以看出，在每一个载荷块内，应变幅值由0.4%变为0.8%时，由于过渡阶段控制命令的不连续，使得剪应力表现出瞬间增大的现象。但纵观整个寿命周期，TC21钛合金在90°非比例变幅载荷下在扭转方向也表现出循环软化特征。

图11 90°非比例变幅加载K下扭转方向应力寿命曲线Fig.11 Change ofmaximum shear stress with cycle number under 90°non-proportional variable amplitude loading K

图12和图13是块载荷L(由等应变幅的90°非比例、45°非比例、纯扭、单周拉压载荷组成)下的应力寿命曲线。由于在曲线整体中每个载荷块的内应力响应显示不明显，因此根据曲线整体情况取加载开始、半寿命、和加载结束附近各一个完整载荷块作为分析对象。图中，每一级应力响应前的点为试验控制原因引起的载荷命令稳定前的应力响应过渡点。

由图12可以看出，半寿命附近载荷块内的拉伸应力响应比加载开始第一个载荷块内相应的每一级应力响应都低，同时也低于加载结束前载荷块内相应的每一级应力响应值。这说明材料在块载荷L下拉伸方向先表现出循环软化后表现出循环硬化。而在每一个块内，在每一级控制应变载荷下，拉伸应力响应均是先增加再稳定。即在载荷块内，TC21钛合金在拉伸方向表现为循环硬化特性。

由图13可以看出，三个载荷块内每一级应变水平下的扭转剪应力响应是依次降低的，因此在整个寿命周期中，TC21钛合金在扭转方向整体表现为循环软化特性。在循环初期的载荷块内扭转方向的应力响应表现为软化特性，而在半寿命附近的载荷块内扭转应力响应基本保持稳定，没有表现出软化硬化特性。

图14和图15为块载荷M下的应力寿命曲线。由于在曲线整体中每个载荷块的应力响应显示不明显，因此根据曲线整体情况取加载开始、半寿命附近各一个完整载荷块作为分析对象。图中，每一级应力响应前的点为试验控制原因引起的载荷命令稳定前的应力响应过渡点。

图14 块载荷M下拉伸方向应力寿命曲线Fig.14 Change ofmaximum axial stress with cycle number under block loading M

图15 块载荷M下扭转方向应力寿命曲线Fig.15 Change ofmaximum shear stress with cycle number under block loading M

由图14可以看出，在相应的每一级应变水平下，半寿命附近载荷块内的拉伸应力响应低于循环寿命初期载荷块内的应力响应，合金在拉伸方向上整体表现为循环软化特性。在载荷块内拉伸应力响应在单轴拉压载荷和45°非比例载荷下表现为硬化特性，在90°非比例载荷下表现为软化特性。

由图15可以看出，在相应的每一级应变水平下，半寿命附近载荷块内的扭转剪应力响应低于循环寿命初期载荷块内的应力响应，合金在扭转方向上整体表现为循环软化特性。每个载荷块内，每一级应变水平下，扭转剪应力响应均表现为循环软化特性。

4 讨论

变幅载荷下合金在整个寿命周期表现出不同的软硬化特性，且在不同的载荷下每个载荷块内的软硬化特性均有不同。在完成合金的本构关系曲线时考虑到软硬化特性带来的影响，采用循环稳定时的数据。同样在进行寿命预测时，也要考虑到软硬化的特性。

合金在相同的等效应变幅块载荷下，非比例载荷和比例载荷不同的加载顺序下在拉伸方向表现出了不同的软硬化特性，在实际加载试验中，循环寿命也是不同的。而在疲劳寿命预测中如果使用线性疲劳损伤累积模型，在不同的加载顺序下计算的预测寿命是相同的。因此，在进行寿命预测时，为得到更为准确的计算结果应该使用非线性疲劳损伤累积模型进行计算。

5 结论

(1)TC21钛合金在单轴应变控制载荷下，在拉伸和扭转方向上均表现出循环软化特性。特性等效应变幅载荷越大，软化越明显，小应变幅载荷下基本没有软化现象出现。

(2)在多轴比例与非比例应变控制载荷下，TC21钛合金在拉伸和扭转方向上整体表现出循环软化。等效应变幅载荷越大，软化越明显。

(3)在应变控制变幅块载荷下，扭转方向剪应力响应整体表现为循环软化，但在单个载荷块内不同的加载方式和应变幅值下表现出不同的软硬化特性。拉伸方向应力响应与剪应力响应的表现有所不同，在90°非比例变幅载荷下表现为软化，但在单轴和非比例的混合载荷下不同的加载顺序表现不同的软硬化特性，单个载荷块内不同的应变幅值下又有不同的软硬化特性。

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