利用聲發(fā)射技術研究鑄態(tài)Ti46Al8Nb合金疲勞壽命

摘 要：本文通過聲發(fā)射（AE）實時監(jiān)測技術研究了鑄態(tài)Ti46Al8Nb合金的疲勞壽命變化特點及斷裂機制。實驗結(jié)果顯示，在250MPa的相同循環(huán)應力水平下，TiAl合金疲勞壽命非常分散，聲發(fā)射特征也存在顯著區(qū)別。低壽命（103）時，AE信號連續(xù)，高壽命（106）時，信號出現(xiàn)間歇中斷。這可能是因為粗大晶粒和全片層結(jié)構(gòu)的各向異性導致了微觀結(jié)構(gòu)短裂紋向物理小裂紋和長裂紋擴展的轉(zhuǎn)化過程不同，因此疲勞壽命具有不同的規(guī)律。
關鍵詞：鑄態(tài)Ti46Al8Nb合金；疲勞壽命；聲發(fā)射（AE）；無損檢測；評定 超聲波液位計 超聲波物位計 超聲波清洗機 超聲波測厚儀 洗片機
0 前言
汽車或航空發(fā)動機的高溫部件如渦輪盤、葉片和氣門閥等是TiAl基金屬間化合物主要的應用領域。在服役的過程中，這些構(gòu)件受著明顯的交變應力的作用，疲勞是失效的主要形式之一。而鑄造合金在成本上有著明顯優(yōu)勢，近來受到特別地關注，但鑄態(tài)合金有著明顯不同于變形合金的特征，顯著影響合金組織性能。因此研究鑄態(tài)TiAl合金疲勞行為的規(guī)律和機理，對合金的安全可靠服役具有重要意義。
金屬間化合物通常在室溫下塑性較差，因此研究它的疲勞損傷過程有一定的困難，特別是實驗數(shù)據(jù)常常具有很大的分散性。聲發(fā)射技術是研究金屬變形行為十分有效的工具之一，可以檢測出早期的破壞并且能夠?qū)崟r監(jiān)測材料在疲勞過程中的變形與斷裂行為，采集大量有關信息從而為分析材料的疲勞失效規(guī)律提供依據(jù)。TiAl合金這種具有脆性和各向異性的材料對聲發(fā)射非常敏感，因此利用這種實驗手段來研究該合金的疲勞行為可以監(jiān)測到一般方法無法探測的材料在循環(huán)載荷下的連續(xù)變形行為。已有文獻報道了利用聲發(fā)射來研究TiAl合金的疲勞行為，主要得到了以下結(jié)論：預先加載導致的微裂紋是沿片層開裂的[1]，而且這些微裂紋會成為疲勞失效的位置[2,3]。
1 實驗方法
疲勞壽命實驗在日本島津EHE-EB10-20L電液伺服疲勞試驗機上進行。實驗條件為恒載荷控制，正弦波加載，載荷比R=-1，加載頻率f=10Hz。疲勞樣品斷口用FEI XL30 ESEM掃描電鏡觀察。
Threshold 35dB
Peak Definition Time (PDT) 300us
Hit LockTtime (HLT) 3000us
Hit Definition Time (HDT) 600us
Front end filter No
Line orientation graph filter Yes
??? 聲發(fā)射疲勞實驗在Instron8562型疲勞試驗機上進行，實驗條件為恒載荷控制，正弦波加載，載荷比R=0.1，加載頻率f=2Hz。聲發(fā)射實驗采用PAC公司的4通道全數(shù)字DiSP聲發(fā)射系統(tǒng)。帶寬為20-1000Hz的兩個寬帶傳感器（美國PAC公司出產(chǎn)的WD型）對稱分布于工作段兩端，與樣品之間采用2211型硅油耦合劑耦合。表1為聲發(fā)射實驗參數(shù)設置。實驗中記錄了振鈴數(shù)，事件數(shù)，幅度等參數(shù)。
??? 2實驗結(jié)果與分析
??? 2.1 鑄態(tài)Ti46Al8Nb合金的應力-壽命關系
??? 圖1所示為鑄態(tài)Ti46Al8Nb合金的應力－壽命（S-N）曲線?？偟膩碚f，鑄態(tài)Ti46Al8Nb合金的疲勞極限比較低，在160MPa左右，而且當應力達200MPa后， 疲勞壽命就非常低了，最終斷裂前的循環(huán)次數(shù)不足1000周，有的甚至只有幾周。另外在相同的應力水平下，TiAl合金的疲勞壽命可有幾個數(shù)量級的變化，這說明TiAl合金的疲勞數(shù)據(jù)有很大的分散性，這也是鑄態(tài)TiAl合金疲勞行為的另一個重要特點。
??? 目前認為[4]，TiAl合金應力－壽命曲線具有很大分散性的原因是TiAl合金的疲勞行為受兩種不同的疲勞模式所控制：（1）疲勞微裂紋從表面萌生，這將導致TiAl合金很低的疲勞壽命，（2）疲勞微裂紋從次表面萌生，在這種情況下，疲勞壽命較高。在循環(huán)載荷的作用下，哪種模式起主要作用決定該疲勞樣品的壽命如何。而對于某個樣品來說，其疲勞行為究竟由哪種方式控制則有一定的隨機性。這就導致了該合金的疲勞壽命的變化幅度較大。
??? 2.2 250MPa應力下具有不同疲勞壽命樣品的聲發(fā)射信號比較
??? 為了研究TiAl合金疲勞數(shù)據(jù)分散的內(nèi)在原因，在相同的應力水平下進行疲勞實驗，并用AE技術來研究不同壽命時的AE信號規(guī)律。圖2是在250MPa下一個疲勞壽命比較低（Nf＝6000周）的Ti46Al8Nb合金樣品的疲勞過程聲發(fā)射信號。該圖顯示了樣品從承受載荷開始一直到最終斷裂的完整的疲勞過程。由圖可知，在材料受循環(huán)載荷的初期，聲發(fā)射信號的強度就比較高，隨著時間的延長，聲音的強度有一些下降的趨勢，但是，在斷裂之前，聲發(fā)射信號的強度急劇增大，斷裂時達到最大值。在循環(huán)加載的初期，AE信號很強，說明裂紋很早就萌生，并以較快的速率發(fā)展，而且可以看出裂紋的發(fā)展有減速的趨勢，但是裂紋很快過渡為加速擴展，因此疲勞壽命較低。
??? 圖3是在250MPa具有高疲勞壽命（Nf＞106周）的Ti46Al8Nb合金樣品的聲發(fā)射信號。在受循環(huán)應力的早期（100周以內(nèi)），樣品中就有大量的聲音信號產(chǎn)生，而且聲發(fā)射信號的強度較高，說明此時材料內(nèi)部的各種運動（位錯，滑移以及微裂紋的萌生）比較活躍；而隨著時間的延長，聲發(fā)射信號逐漸消失（約2000周至10000周），說明在這個階段材料內(nèi)部裂紋在擴展過程中遇到了某一較強的障礙而停止發(fā)展。然而，經(jīng)過一定的周次后，聲發(fā)射信號再次出現(xiàn)，這說明在循環(huán)應力的作用下，微觀的損傷不斷積累，裂紋擴展克服了這一障礙（也可能是由于損傷積累，在材料的其它位置產(chǎn)生了新裂紋），材料重新處于活躍階段。不久之后，聲音信號再次消失，樣品中的各種運動又停止了。在循環(huán)載荷的作用下，該疲勞樣品就這樣處于活躍－休眠的循環(huán)之中。從圖中可以看到，材料的"休眠"期越來越長（請注意圖中時間軸采用的是對數(shù)坐標），此樣品在2.2′106周沒發(fā)生疲勞斷裂后從實驗機上取下，因此圖3只是該樣品疲勞過程前期的聲發(fā)射信號，不包括樣品最終斷裂時的信號。
??? 在相同的裂紋擴展驅(qū)動力下，微觀結(jié)構(gòu)短裂紋的擴展速率隨裂紋長度的增加而下降，而物理小裂紋和長裂紋的擴展速率隨裂紋長度的增加而增加，總的裂紋擴展速率表現(xiàn)為圖4所示的"V"字型。從圖中可以看到，同樣在Ds3的作用下，微觀結(jié)構(gòu)短裂紋的擴展會在裂紋長度為b3時停下，而物理小裂紋開始擴展的最小裂紋長度為a3，b3與a3的差值使裂紋最終停在b3長度而成為不擴展裂紋，因此出現(xiàn)疲勞極限，但是如果把應力幅提高到Ds2，微觀結(jié)構(gòu)短裂紋擴展速率變快，在長度為b2時停下，而物理小裂紋開始擴展的最小裂紋長度為a2，于是微觀結(jié)構(gòu)短裂紋可以過渡到物理小裂紋，開始加速擴展，并導致最終的疲勞斷裂。
??? 因此裂紋是否可以由微觀結(jié)構(gòu)短裂紋發(fā)展成為物理小裂紋是材料疲勞壽命的關鍵。對TiAl疲勞樣品而言，在循環(huán)加載的初期，AE信號都很強，說明裂紋可能比較早就萌生了，對于低壽命樣品，試樣在經(jīng)歷了微觀結(jié)構(gòu)短裂紋的減速擴展階段后，轉(zhuǎn)化為物理小裂紋，并以較快的速率發(fā)展，從而較早發(fā)生斷裂，因此AE信號表現(xiàn)出相應的馬鞍狀規(guī)律。對于高壽命樣品，AE信號在一定周次后停止，說明試樣中的裂紋擴展遇到障礙，經(jīng)過一定周次的循環(huán)應力作用，這一障礙有可能被突破，因此AE信號重新被檢測到，直到遇到另一障礙。從圖中可以看出，裂紋擴展的"休眠"期越來越長，因此試樣具有較高的疲勞壽命。
實驗所用的材料鑄態(tài)合金具有特殊的片層組織結(jié)構(gòu)，而且晶粒粗大。在相同的應力幅下TiAl合金的疲勞過程有如此明顯的差異，這與實驗材料對裂紋擴展阻滯的特性有關。當裂紋平行于片層取向時，裂紋擴展容易，而當裂紋垂直于片層取向時，裂紋擴展比較困難。由于晶粒粗大，在有利裂紋擴展的片層取向時，疲勞裂紋很容易發(fā)展過渡到加速擴展階段而過早斷裂。而如果材料內(nèi)部微裂紋的擴展遭遇不利片層取向（強的疲勞裂紋擴展障礙）就可能出現(xiàn)停滯、損傷積累后再擴展，從而出現(xiàn)聲發(fā)射結(jié)果的"休眠"現(xiàn)象，如果裂紋擴展一直處在不利取向下，就可能得到較高的疲勞壽命。
3 結(jié)論
鑄態(tài)Ti46Al8Nb合金疲勞壽命的數(shù)據(jù)分散性比較大，應力水平的微小變化就可以導致壽命的劇烈變化。在相同應力水平250MPa下，不同疲勞壽命的鑄態(tài)Ti46Al8Nb合金的聲發(fā)射行為明顯不同，粗大晶粒和全片層結(jié)構(gòu)的各向異性導致了具有不同疲勞壽命的樣品斷裂行為不同。