TA15钛合金板材微观组织及疲劳性能研究

1、材料与方法

TA15合金经1个火次轧制（轧制温度930℃）获得δ27mm厚板材，其加工过程如图1所示。在MTS370液压万能试验机和高频疲劳试验机测试材料的拉伸和疲劳性能，并利用光学显微镜和JSM-6460扫描电镜观察板材的组织结构及物相组成，并对疲劳试样的断口进行了观察分析。

2、试验结果与分析

2.1微观组织

图2为TA15板的显微组织，横向及轧面组织均为典型的双态组织由初生α相和β转变组织组成。由图2可以看到，横向及轧面组织也有一定的区别：轧面组织的初生α相近似等轴，晶粒尺寸为25~45μm（图2(a)），而横向组织中的初生α相有明显的方向性，初生α相为长条状，这是由于在轧制过程中，横向组织受到垂直方向的压力，导致初生α相受到挤压变形并产生一定的方向性。

图3为TA15板材的电子背散射衍射（Electron Back Scattered Diffraction，EBSD）相图，其中不同衬度的区域晶格结构不同。与金相组织分析结果相同，显微组织由α相和β相组成，初生及次生α相所占比例较高，β相所占比例较低。图3中的黑点为数据扫描过程中出现的无效点。

2.2疲劳性能

在轧制后的TA15板材，切取试样毛坯，加工成杯状光滑疲劳试样，测试了室温下光滑试样的高周疲劳性能，疲劳试验在室温大气中进行，试验波形为正弦波，频率为117Hz，应力比R=0.1，根据升降法确定材料的疲劳极限。本试验所选取的最大应力分别为625MPa，640MPa，645MPa，650MPa，675MPa，750MPa和800MPa，每一级应力选取2根试样，取2根试样结果的算数平均值作为该应力下的疲劳寿命。结果表明试样在σmax≤645MPa时，试样经10⁷次循环均未断裂，故材料的疲劳极限为645MPa。由试样在上述不同应力下的疲劳寿命结果可以得到TA15板的应力S-循环数N曲线，如图4所示。

2.3疲劳断口形貌

图5为样品在不同加载应力下的宏观断口形貌。由图5可以看出，在不同应力水平下疲劳试样低倍断口总体特征相同，断口均由裂纹源区Ⅰ、裂纹扩展区Ⅱ和瞬断区Ⅲ3个不同区域组成，并且疲劳裂纹源均萌生于样品表面。但是不同应力水平下疲劳断口中，裂纹扩展区Ⅱ在整个断口所占比例有所不同，图5(a)（800MPa）中裂纹扩展区所占比例最小，图5(c)（650MPa）中裂纹扩展区所占比例最大，即TA15在疲劳试验中，随着应力水平的降低裂纹扩展区所占比例增加。

图6为同一应力水平下试样的断口形貌图（最大应力为750MPa），图6(a)为断口宏观形貌，如图6(b)~(d)分别为疲劳源、裂纹扩展区和瞬断区的显微形貌。由图6(b)可以观察到裂纹源区的微观形貌呈现解理和沿晶断口的特征，在图6(c)裂纹扩展区可以观察到明显的疲劳辉纹，同时瞬断区呈现出韧窝和穿晶混合断口特征。

3、结论

由板材的金相显微组织图及EBSD相图的物相分析表明：TA15钛合金板材横向及轧面组织均为典型的双态组织，由初生α相和β转变组织组成，横向及轧面的初生α相形态有一定的差异。

采用升降法利用高频疲劳试验机得到了在应力比R=0.1时，TA15板材的疲劳极限为645MPa。

由疲劳断口可以观察到疲劳裂纹萌生于试样表面，宏观断口形貌呈现典型的三个区域，即裂纹源区Ⅰ、裂纹扩展区Ⅱ和瞬断区Ⅲ。各区域断口微观特征分别为裂纹源区主要呈现为沿晶的解理断口，裂纹扩展区观察到明显的疲劳辉纹，瞬断区则出现大量韧窝并表现出穿晶断裂的断口形貌。同时，对比不同应力条件下的疲劳断口，可以发现随着应力强度的降低，裂纹扩展区面积逐渐增加。

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