文章编号：1004-0609(2010)S1-s0518-05
Ti-24Nb-4Zr-8Sn合金疲劳缺口敏感性
张思倩，李述军，郝玉琳，杨 锐
(中国科学院 金属研究所 沈阳材料科学国家(联合)实验室，沈阳 110016)
摘 要：研究不同缺口半径和应力比对Ti-24Nb-4Zr-8Sn合金室温高周疲劳性能的影响。结果表明：缺口的存在明显降低合金的疲劳强度，缺口半径和应力比的变化对合金的组织及缺口敏感性影响不大，仅疲劳强度稍有变化。与其他类型常用钛合金相比较，Ti-24Nb-4Zr-8Sn合金具有低的室温疲劳缺口敏感性，这主要归因于其良好的室温塑性以及超弹性变形特点。
关键词：钛合金；缺口；疲劳缺口敏感性
中图分类号：TG 146 文献标志码：A
Fatigue notch sensitivity of Ti-24Nb-4Zr-8Sn alloy
ZHANG Si-qian, LI Shu-jun, HAO Yu-lin, YANG Rui
(Shenyang National Laboratory for Materials Science, Institute of Metal Research,
Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)
Abstract: The effect of notch size and R ratios on high cycle fatigue properties at room temperature of Ti-24Nb-4Zr-8Sn alloy was investigated. The results show that, due to the superior high ductility and super-elastic deformation, Ti-24Nb-4Zr-8Sn alloy exhibits low fatigue notch sensitivity. The specimen with notch has a much lower fatigue resistance than the normal ones. The notch size and R ratios have little effect on microstructure and fatigue notch sensitivity, only have some change on the fatigue strength.
Key words: titanium alloy; notch; fatigue notch sensitivity
作为一种新型医用亚稳β钛合金，Ti-24Nb-4Zr- 8Sn(Ti2448)合金具有比其它医用合金低得多的弹性模量，可以明显减少“应力屏蔽”效应；不含有毒元素，具有良好的生物相容性和抗腐蚀性；具有较高强度和超弹性的特征[1-3]，在较高的应力作用下可以安全使用。Ti2448合金的非线性变形行为和高度局域化的塑性变形行为使其具有优良的高、低周疲劳性能[4]。然而，合金在实际应用的过程中承受复杂的应力状态，不可避免地会含有应力集中，疲劳裂纹主要在这里萌发。应力集中对合金的疲劳性能影响很大，大部分材料高周疲劳对缺口敏感而低周疲劳不敏感，因此常常用高周疲劳来研究材料对缺口的敏感程度[5-7]。
本文作者对热轧态Ti2448合金进行了疲劳缺口敏感性研究，观察了合金的显微组织以及疲劳断口形貌，讨论了该合金疲劳断裂机制，以期对Ti2448合金的缺口疲劳行为有一个比较深入的了解。
1 实验
1.1 实验材料
研究采用的Ti2448合金制备方法如下：以纯Ti、纯Nb、纯Zr和Ti-Sn中间合金为原料，采用真空自耗熔炼炉3次熔炼获得直径280 mm的Ti2448合金铸锭，在850 ℃锻造成直径为55 mm的棒材，表面打磨后在800 ℃进行热轧变形，轧制出直径为12 mm的棒材。Ti2448合金的化学成分如表1所示。
表1 Ti2448合金的化学成分
Table 1 Chemical composition of Ti2448 alloy (mass fraction, %)
1.2 实验内容
疲劳实验在Instron疲劳实验机上进行，应力循环采用计算机控制，波形为正弦波，应力比为0.3、0.1和-1。本实验所用缺口疲劳样品标距部分为d 7.5 mm×30 mm，实验前对标距部分进行了机械抛光处理，以减小表面机械加工缺陷的影响。
金相分析试样取自热轧棒的中间部分，采用Axiovert 200 MAT型金相显微镜进行组织观察。金相试样的腐蚀剂为煮沸40% HCl溶液。利用SSX-550型扫描电镜对典型实验条件下破坏样品的断口进行观察，试样在观察前置于酒精中进行超声波清洗，以去除表面附着的脏物。显微组织分析采用JEOL 200 CX-Ⅱ透射电子显微镜，工作电压为200 kV。制备透射电镜样品时，对于高、低周疲劳样品，用电火花线切割在距离断口1 mm处与加载垂直的方向切取厚度为0.5 mm的薄片，用1200#砂纸研磨至40 μm左右，冲成d 3 mm的圆片，用Tenupol-5双喷减薄仪减薄样品，电解液的成分为6%高氯酸+35%正丁醇+59%甲醇(体积分数，%)，冷却剂为液氮，减薄条件为：温度-15~-20 ℃，工作电压15~20 V。
2 结果与讨论
2.1 热轧态Ti2448合金的显微组织和性能
图1(a)和(b)所示为热轧态Ti2448合金的横截面和纵剖面的显微组织。由图可知，合金的晶粒尺寸约在微米级，而且存在织构。TEM分析表明：在热轧过程中，Ti2448合金形成了亚微米级晶粒，晶粒尺寸为500~600 nm(见图1(c))，且部分晶粒中存在大量的亚晶界，尺寸在100 nm左右。这种晶粒细化的现象是由于高温热轧所产生的。对于Ti2448合金，通过常规的塑性变形方法可以使合金的晶粒尺寸有效地减小[8]。
热轧态Ti2448合金的循环拉伸曲线如图2所示。合金至1%应变的加载卸载曲线完全重合，即达到1%应变可以完全回复；2%和3%加载卸载后曲线大部分回复；合金在4%应变变形后卸载具有最大的应变回复量，可以达到3%，这表明合金的拉伸曲线呈现出具有大的应变回复量的非线性变形特点。
图1 热轧态Ti2448合金的显微组织
Fig.1 Microstructures of Ti2448 alloy after being hot-rolled: (a) Optical image of transversal section; (b) Optical image of longitudinal section; (c, d) TEM bright field image (inset is [111]β zone axis selected-area diffraction pattern)
图2 Ti2448合金的弹性变形
Fig.2 Elastic deformation behavior of Ti2448 alloy
2.2 缺口对高周疲劳寿命的影响
图3所示为Ti2448合金在不同应变比条件下的高周轴向缺口疲劳S—N曲线。为了比较，将光滑试样的S—N曲线也列于图中。与其他合金一样，Ti2448合金的疲劳寿命随着应力水平的升高而减小，且缺口的存在降低了合金的疲劳强度。
与光滑试样的疲劳强度规律类似，随着应力比的增加，合金的缺口疲劳强度有所增加。由曲线可以看出，在相同的应力比条件下，缺口的形状对合金的疲劳强度几乎没有影响。
通常用疲劳缺口敏感度q来评定材料的疲劳缺口敏感性，即
(1)
式中：
其中：σc,smooth和σc,notch分别为光滑和缺口疲劳强度，Kt与试样缺口的几何形状和合金性能有关。疲劳缺口敏感度q主要取决于材料的性能，表征材料对缺口的敏感程度，它能反映疲劳过程中，材料发生应力重新分布，降低应力集中的能力。疲劳缺口敏感性q值一般在0~1之间，当q趋于0时，说明合金对缺口不敏感；而当q趋于1时，Kf趋于Kt，说明合金对缺口极其敏感，缺口的存在将严重损害合金的疲劳性能。
Ti2448合金的疲劳敏感性如表2所列。由表2可以看出，与其他合金一样，Ti2448合金的疲劳缺口敏感性在0~1之间[9]。LANNING分析计算了Ti-6Al-4V合金的疲劳缺口敏感性[10]，并用逐步加载的方式得出了合金的Haigh图。比较可知，与常规钛合金Ti-6Al-4V相比，Ti2448合金的缺口敏感性较低，这与合金良好的室温塑性以及具有的超弹性变形特点有关。
图3 Ti2448合金光滑和缺口高周疲劳S—N曲线
Fig.3 S—N curves of smooth and notched specimens HCF tested: (a) R=-1; (b) R=0.1; (c) R=0.3
除此之外，在不同的应变比条件下，合金的缺口敏感系数随着Kt的增加而略有降低。这说明，缺口形状对q值有一定的影响。当缺口曲率半径较小时，缺口越尖锐，q值越低。这是因为Kt和Kf都随缺口尖锐度增加而提高，但Kt增加比Kf快。当缺口曲率半径较大时，缺口尖锐度对q的影响明显减小。
表2 Ti2448合金疲劳缺口敏感性
Table 2 Fatigue notch sensitivity of Ti2448 alloy
2.3 缺口对高周疲劳断裂的影响
与光滑试样的疲劳断口不同，缺口试样缺口处的应力集中是裂纹萌生的唯一来源。图4所示为缺口疲劳试样在R=0.1，σa=250 MPa条件下的宏观断口照片及断口形貌。
与光滑试样类似，缺口试样也表现为多裂纹源断裂，且裂纹源位于试样表面(见图4(b))。受应力集中的影响，试样在裂纹扩展第二阶段中出现了微裂纹 (见图4(c))，且存在与扩展方向垂直的二次裂纹(见图4(d))。在裂纹扩展第二阶段后期断口表面上不同区域存在不同方向的疲劳台阶(见图4(e))，这也进一步表明缺口试样 存在多个裂纹源。在裂纹扩展最后阶段，出现了大量的韧窝，表明合金为韧性断裂(见图4(f))。
图4 Ti2448合金缺口试样高周疲劳断口形貌
Fig.4 SEM images of fracture surface of notched specimen fatigue tested at R=0.1, σa=250 MPa: (a) Overview of fracture surface; (b) Crack initiation at surface of specimen; (c) Microcrack; (d) Secondary crack; (e) Fatigue striation; (f) Final fracture region
3 结论
1) Ti2448合金具有低的室温疲劳缺口敏感性，表明缺口对合金的疲劳强度影响较小，这主要归因于合金良好的室温塑性。
2) 缺口半径和应力比的变化对合金缺口敏感性影响不大，仅疲劳强度有所变化。
3) 缺口疲劳试样裂纹萌生于表面，为多裂纹源韧性断裂，且在裂纹扩展区出现了微裂纹、二次裂纹以及疲劳台阶。
REFERENCES
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(编辑 袁赛前)
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50631030；50901080)；辽宁省自然科学基金资助项目(20092075)
通信作者：郝玉琳；电话：024-83978841；E-mail：ylhao@imr.ac.cn
