1.中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083;
2.湖南科技大学 海洋矿产资源探采装备与技术湖南省工程实验室，湖南 湘潭 411201;
3.通号轨道车辆有限公司，湖南 长沙 410100;
4.湖南科技大学 湖南省机械设备健康维护重点实验室，湖南 湘潭 411201
收稿日期: 2015-10-16
基金项目: 国家自然科学基金资助项目 (51271203)。
作者简介: 郭庆清 (1967－)，男，江西泰和人，中南大学博士研究生。
摘要: 通过显微镜及电子背散射衍射试验对近α钛合金BT-20的篮网、双态和魏氏组织微观结构及晶粒尺寸进行测定，并采用拉伸与疲劳裂纹扩展试验进行力学性能以及裂纹扩展研究，讨论微观组织对裂纹扩展速率、路径和断口形貌的影响.结果表明，双态组织的强度和延伸率最好，魏氏组织最差；双态组织的断口为解理断裂，裂纹碰到大尺寸初生α晶粒时发生穿晶失效，形态呈直线状，从而具有较高的扩展速率；篮网和魏氏组织的断口形式为沿相界断裂，裂纹扩展路径在通过α晶粒集束边界时改变方向，路径呈曲线状，扩展速率相对较低，从而具有较好的耐裂纹性能.
关键词：BT-20近α钛合金疲劳裂纹扩展显微组织断口形貌
Influence of Microstructure on the Fatigue Crack Growth in Near-α Ti Alloy BT-20
GUO Qing-qing1, WANG Jia-liang2, WU Yong-hong3, JIANG Yong-zheng4
1.School of Geosciences and Info-physics, Central South University, Changsha 410083, China;
2.Hunan Provincial Key Laboratory of Equipment and Technology for Oceanic Mineral Resource, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China;
3.CRSC Railway Vehicles Co., Ltd., Changsha 410100, China;
4.Hunan Provincial Key Laboratory of Health Maintenance for Mechanical Equipment, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China
Corresponding author: JIANG Yong-zheng, E-mail: jiangyz186@126.com
Abstract: The lamellar, bimodal, acicular microstructures and grain morphology of BT-20 near-α Ti alloy were observed by optical microscopy and electron backscatter diffraction. Tensile and fatigue crack growth tests were carried out to analyze the mechanical property and the influence of microstructures on fatigue crack growth rate, path and fractography. The results showed that the bimodal microstructure has the highest strength and best ductility, and acicular microstructure exhibits the lowest strength and poor ductility. The fractography of bimodal microstructure is cleavage fracture. The transgranular fracture happens when crack encounters the large primary α grain, which results in a relatively straight profile of the crack and explains the higher crack growth rate. The fractography of the lamellar and acicular microstructures is intergranular fracture. The crack path changes direction when encounters boundaries of two colonies of α grains, which results in tortuosity of the crack, lower crack growth rate and a better crack growth resistance.
Key Words: BT-20near-α Ti alloyfatigue crack growthmicrostructurefractography
俄系BT-20是一种近α钛合金，具有密度小、比强度高、耐腐蚀及耐高低温性能好等优良性能，在航空航天领域应用非常广泛.BT-20经常应用于超音速战机的主体构件的制造，该构件一般由板材或者锻件焊接组成，在服役期间承受巨幅波动的载荷，在恶劣工况下容易产生疲劳裂纹.一旦疲劳裂纹迅速扩展，将对飞行器的正常工作产生严重后果，因此研究BT-20的疲劳特性以及裂纹扩展行为十分重要.目前针对BT-20疲劳性能研究主要集中在关于不同的轧制方向对裂纹扩展速率的影响[1-2]，而有关研究表明，载荷比[3-5]、微观组织[6-8]以及环境因素[9-10]会对钛合金的疲劳裂纹扩展行为产生重要影响，因此本文着重从微观组织的角度对BT-20的力学性能及疲劳裂纹扩展行为进行研究.BT-20的微观组织结构主要受合金成分、加工变形工艺和热处理工艺[11]的影响，根据这些条件会生成篮网、双态和魏氏三种不同类型和不同尺寸的显微组织.本文通过三种不同的加工工艺分别制得拥有篮网、双态和魏氏三种不同类型组织的试样，采用光学显微镜及电子背散射衍射试验对三种试样的微观结构及晶粒尺寸进行了观测，并通拉伸试验与疲劳裂纹扩展试验对这三种组织进行了测试分析，讨论了它们对力学性能以及疲劳裂纹扩展速率、路径以及断口形貌的具体影响.
1 微观结构及晶粒尺寸BT-20的成分为Ti-6Al-2Zr-1.5Mo-1.5V，本文研究的BT-20试件的具体化学成分如表 1所示.试件中的篮网、双态及魏氏组织是分别通过轧制、锻造和焊接制造得到.通过光学显微镜分别对轧制、锻造和焊接得到的试件进行组织观察，三种不同试件的微观组织及对应电子背散射衍射 (EBSD) 图如图 1所示.通过轧制得到的组织主要为篮网组织：原始β晶粒沿轧制方向被拉长，篮网α集束的分布为随机分布，没有方向性，微观组织如图 1a所示.对应的EBSD图见图 1d：同一个集束内的每个α片条的分布方向大致相同.锻件的微观组织主要为双态组织，如图 1b所示：包含初生α晶粒 (亮) 和转变β组织 (暗).双态组织对应的EBSD图如图 1e所示：初生α晶粒 (亮) 和转变β组织的尺寸相近，其中转变β组织由析出的条状α和条状α之间的残余β组成，还能看到较大的原始β晶粒.魏氏组织由2块具有篮网组织的试件焊接得到，熔融区包括位于焊缝顶部的尺寸较大呈柱状的原始β晶粒，以及在底部的等轴原始β晶粒.原始β晶粒由于迅速冷却形成片状的马氏体α晶粒，如图 1c所示.焊接区组织的EBSD图如图 1f所示：α相呈集束状排列，每个集束内的α晶粒具有相似的特性.
表 1(Table 1)
 表 1 BT-20试样的化学组成 (质量分数)Table 1 Chemical composition of BT-20 alloy
| 表 1 BT-20试样的化学组成 (质量分数) Table 1 Chemical composition of BT-20 alloy | ||||||||||||||||||||||||||||||
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 三种组织形态及EBSD图Fig.1 Three microstructures and EBSD maps (a)—篮网组织；(b)—双态组织; (c)—魏氏组织；(d)—篮网组织EBSD图; (e)—双态组织EBSD图；(f)—魏氏组织EBSD图. |
三种不同组织的晶粒尺寸平均值见表 2.由表 2可知，篮网组织中的集束尺寸最大，为45μm; 但是篮网集束中板条厚度仅约为4.3μm, 魏氏组织中板条的平均厚度约为3.4μm.双态组织中初生α晶粒的平均尺寸约为6.9μm，其转变β组织由析出的条状α和条状α之间的残余β组成，转变β组织的平均尺寸约为8.7μm，但是转变β组织中α片条的平均厚度仅仅约为1.9μm.
表 2(Table 2)
表 2 三种微观结构的平均尺寸Table 2 Average size of three microstructures
| 表 2 三种微观结构的平均尺寸 Table 2 Average size of three microstructures |
2 试验2.1 拉伸试验将具有三种不同微观组织的材质制成拉伸试样，试样为棒材，试验按照国标GB/T 228—2002进行，拉伸测试在室温下进行，控制拉伸应变率为10-3s-1.拉伸得到三种材料的工程应力与应变曲线如图 2所示.图 2中三种试样的屈服强度分别为：双态组织屈服强度为938MPa，篮网组织为910MPa, 魏氏组织为866MPa; 双态组织延伸率为17%，篮网组织延伸率为14%，魏氏组织延伸率为6%，这说明双态组织的强度和延伸率最好，其次是篮网组织，焊接件的强度和延伸率最差.
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 三种组织的应力-应变关系曲线Fig.2 Stress-strain curves of three microstructures |
2.2 疲劳裂纹扩展试验裂纹扩展试验按国标GB/T 6398—2000进行，采用紧凑拉伸CT型试样.试样宽50mm，厚12.5mm, 初始切口长度为15mm.测试设备采用谐振疲劳试验机，应力比R为0.3，加载频率为90Hz.
图 3为三种不同组织的试件测得的da/dN随应力强度因子范围ΔK变化曲线，三种组织的疲劳裂纹扩展速率曲线均遵循Paris裂纹扩展模式，其中双态组织裂纹扩展速率最高，而魏氏组织与篮网组织的曲线几乎重合.通过计算得到三种组织应力强度因子幅值门槛值ΔKth，其中魏氏组织的ΔKth最高，而双态组织的ΔKth最低，双态组织的ΔKth为4.1MPa·m0.5，篮网组织为6.0MPa·m0.5，魏氏组织为6.5MPa·m0.5.
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子幅值ΔK的关系对数图Fig.3 Log-log plots of the crack growth rate da/dN vs. the applied stress intensity factor range ΔK |
3 裂纹扩展路径和断口3.1 裂纹扩展路径CT形试样表面的裂纹形态采用光学显微镜进行检测，图 4a~图 4d分别显示篮网、双态和魏氏组织的裂纹形态：裂纹在篮网组织中扩展时在篮网集束内部沿直线扩展，但是在2个篮网集束之间明显改变方向，如图 4a中的箭头所示.对于双态组织而言，裂纹扩展方向受微观组织的影响不大，在通过初生α晶粒和转变β组织时裂缝方向均没有发生明显的改变，如图 4b所示.对于具有魏氏组织的焊接试样而言，原始晶粒对裂纹扩展的方向没有任何影响 (见图 4c).但是对更小尺寸的片条状α晶粒进行观察，可以发现这些片条状α晶粒在原始β晶粒基体上的方向分布是随机的，且这些小尺寸片条状α晶粒对裂纹扩展路径的影响与篮网组织中的扩展方向类似：在集束的交界处裂纹扩展方向发生了变化，导致裂纹显得有些曲折，见图 4d.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 裂纹扩展路径Fig.4 Crack growth path (a)—篮网组织的弯曲路径；(b)—双态组织中的直裂纹; (c)—焊件的裂纹扩展通过原始晶粒；(d)—焊件的裂纹扩展通过魏氏晶粒. |
3.2 断口形貌试样的裂纹表面通过扫描电镜检测，断口如图 5所示.篮网组织的断口如图 5a所示，显示在集束内呈现疲劳条带形貌.图 5b显示篮网组织裂纹扩展时，裂纹倾向于沿α晶粒集束断开而不是沿单个的晶粒断开，其中仅极少数区域显示断裂面为小刻面，其他区域均显示层断裂面，为方便观察，有着相似断口的片状晶粒群采用平行线划定在裂纹表面上.双态组织的断口显示为解理断裂，如图 5c所示：疲劳裂纹在通过大尺寸初生α晶粒形成了平整的小刻面；而在通过转变β组织时，裂纹沿小尺寸的α片条与残余β之间的相界断裂.图 5d为魏氏组织的断口形貌，显示裂纹表面分布有很多没断裂的α片条.这表示裂纹扩展通过片状α时发生沿α片条的边界断裂，而非穿晶断裂.
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 断口形貌Fig.5 The fractograqhy profile (a)—篮网组织的疲劳条带；(b)—篮网组织中的片条集束; (c)—双态组织的断口形貌；(d)—魏氏组织的断口形貌. |
4 讨论本文研究了三种常见的组织：篮网、魏氏和双态组织对BT-20疲劳裂纹扩展行为的影响.测试结果表明三种组织之中双态组织的疲劳裂纹扩展速度最高且应力强度因子门槛值最低，篮网和魏氏组织的疲劳裂纹扩展速率相差不大，且它们的应力强度因子门槛值比双态组织要高，这与三种组织的断口形貌有密切联系.双态组织的断口形貌 (图 5c) 主要为α晶间断裂形成的小刻面，这是典型的解理断裂.篮网组织断口呈疲劳条带状 (图 5b)，魏氏组织断口表面存大量未失效的α晶粒 (图 5d)，这说明篮网组织和魏氏组织断口以沿小尺寸α片条的边界断裂为主.通常来说断口为解理断裂的裂纹比沿相界断裂的裂纹扩展更快，这导致双态组织具有较快的裂纹扩展速率.
双态组织的断口显示仍有小尺寸α晶粒并未发生失效 (图 5c)，这说明双态组织中裂纹扩展碰到小尺寸α片条时 (尺寸平均值为1.9μm)，裂纹会从α片条的边界面通过，而非发生穿晶；而双态组织中的裂纹扩展碰到大尺寸的初生α晶粒，它将发生穿晶，这会导致裂纹形态相对较直 (图 4b).魏氏组织中α片条的尺寸较小 (平均尺寸3.4μm)，按理说裂纹扩展的速度应该较快，然而由于魏氏组织α晶粒以集束的形式存在，裂纹扩展路径受集束的边界影响而不受单独α晶粒影响，裂纹扩展在集束交界处发生偏转，这导致裂纹路径表现为曲折性，如图 4d所示，这种裂纹路径偏转导致魏氏组织具有更好的耐裂纹性能.篮网组织是由相似方向的α晶粒集束组成，裂纹扩展显示了相似的特点，在集束交界处，裂纹发生偏转，导致裂纹路径表现为曲折性，这种裂纹路径偏转导致篮网组织具有良好的耐裂纹性能.
5 结论1) 双态组织的试样具有较高强度和较好的延展性，而魏氏组织的强度和延伸率最差.
2) 魏氏组织与篮网组织的裂纹扩展速率较低，其中魏氏组织的应力强度因子幅值门槛值ΔKth最高，对于承受变载荷的构件应该优先选择具有魏氏组织的材料以提高构件的耐疲劳性能，而双态组织裂纹扩展速率最高，应力强度因子幅值门槛值ΔKth最低，对于承受变载荷的构件应该尽量避免采用.
3) 双态组织疲劳裂纹扩展速率高的主要原因为裂纹扩展路径碰到大尺寸的初生α晶粒时发生穿晶断裂，而篮网和魏氏组织中的小尺寸α晶粒以集束形式存在，裂纹扩展路径在通过α晶粒集束边界时会改变方向，发生沿界相断裂，从而使得篮网组织和魏氏组织的裂纹扩展速率相对较低.
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