高溫拉伸試驗采用標距段直徑為5mm的圓棒狀試樣，其幾何尺寸如圖2a所示。在DCMT-100/1200高溫真空萬能試驗機(四川德翔科創儀器有限公司)上進行拉伸試驗，應變速率為0.15mm/min、試驗溫度為650°C,進行3次拉伸試驗，取平均值作為合金在650°C時的力學性能。

超聲疲勞試驗采用標距段直徑為3mm的圓棒狀試樣，其幾何尺寸如圖2b所示。采用多功能超聲疲勞試驗機(杭州嘉振超聲波科技有限公司)進行疲勞試驗，搭配多頻段換能器滿足(20-1)kHz的試驗頻率，1~150μm的振動范圍，振幅精度為0.1μm,結合中高頻感應加熱裝置，能夠實現-50~1200°C的精準溫控，配合不同的試驗夾具，可實現軸向恒應力、軸向變應力、振動彎曲及三點彎曲振動等多形式疲勞試驗。本研究試驗溫度為650°C,采用軸向拉-壓加載形式，試驗加載波形為正弦波，加載頻率為20kHz,應力比為-1。

2、實驗結果及討論

2.1高溫拉伸實驗結果與分析

圖3a為4822合金等軸近γ組織在650°C下的拉伸真應力-真應變曲線，可以看出在該溫度下曲線沒有屈服平臺，屈服后有明顯的應變硬化現象。進一步分析應力應變數據得到該合金在650°C下的屈服強度(σ?.?)和抗拉強度(σ?)分別為(350.7±5)MPa和(610.2±3)MPa、斷后伸長率為(9.3±0.3)%。圖3b給出了高溫拉伸后的斷口形貌，可以看到其斷裂形式為包含解理斷裂和沿晶斷裂的混合斷裂模式。解理面由等軸γ晶粒沿特定平面的解理斷裂形成，解理面尺寸與γ晶粒尺寸相同，因此其斷裂方式主要為等軸γ晶粒解理斷裂促進裂紋萌生，隨后裂紋沿晶界擴展并伴隨部分穿晶擴展連接成長裂紋導致失效。

2.2高溫超高周疲勞實驗結果與分析

基于合金的屈服強度和抗拉強度，選取不同的應力水平進行疲勞試驗(為節省時間成本，當循環周次達到10?周次時終止試驗，認為合金在該應力水平下具有無限壽命)。表1為4822合金在650°C,應力比為-1條件下的疲勞性能測試結果。利用表1的結果，繪制應力-壽命(S-N)曲線，如圖4所示。可以看出，650°C下沒有疲勞極限。隨著循環應力的減小，疲勞壽命隨之增加且壽命分散性逐漸減小。因為在等軸近γ組織中，面心立方結構的γ晶粒往往優先沿特定的平面產生解理斷裂，微裂紋在解理的γ晶粒附近萌生并沿晶界擴展。當循環應力較大時，微裂紋優先于受力較大且取向有利于發生滑移的γ晶粒內形核，裂紋形核驅動力大，由于鈦鋁合金抵抗裂紋擴展能力弱，少量微裂紋形核并擴展形成長裂紋，快速的裂紋擴展階段致使疲勞壽命分散性大。應力水平降低，循環加載時間增加，更多的微裂紋在合金內部形核，低應力水平的疲勞失效是由大量的短裂紋彼此相連接所導致，裂紋擴展占比減少，因此疲勞壽命的分散性相對較小。

表1 4822合金在650°C下的疲勞試驗結果

Tab.1Fatiguetestresultsforthe4822alloyat650°C

2.3疲勞斷口分析

圖5為不同應力水平下的疲勞斷口形貌。可以看到4822合金的疲勞斷裂為準解理斷裂和沿晶斷裂的混合斷裂模式。疲勞微裂紋在試樣表面萌生(黃色虛線)并向內擴展(綠色虛線)連接直至斷裂，內部存在少量韌窩(藍色箭頭)。如圖5a所示，在高應力水平下，疲勞斷口粗糙度較高，疲勞微裂紋萌生區及擴展區面積較大。微裂紋在試樣表面形核后沿晶界擴展，在片層團附近則表現為沿層和穿層(紅色箭頭)擴展。圖5b為進一步放大的高應力水平下的斷口形貌，可以觀察到晶粒表面有明顯的滑移痕跡(紫色箭頭),說明在循環加載過程中滑移變形是導致微裂紋萌生的主要原因。高應力水平下，受力較大且取向有利于滑移的γ晶粒優先發生解理斷裂，導致微裂紋萌生，微裂紋的形核驅動力主要取決于外加載荷的大小，同時由于鈦鋁合金抵抗裂紋擴展能力弱，裂紋沿晶擴展形成長裂紋，快速的裂紋擴展致使疲勞斷口粗糙度大，疲勞壽命縮短。

圖5c為低應力水平下的斷口形貌，低應力水平下疲勞斷口粗糙度明顯減小，裂紋在試樣表面多處萌生并向內擴展，微裂紋在等軸γ晶粒附近沿晶界擴展，在片層團周圍僅為穿層擴展(紅色箭頭),沒有沿層擴展，說明片層間的裂紋擴展抗力高于片層團邊界以及等軸γ晶界的裂紋擴展抗力。隨著應力水平降低，循環加載時間延長，交變載荷的不斷作用導致產生塑性變形的晶粒增多，塑性變形晶粒的增加增大了裂紋形核驅動力，進而導致微裂紋萌生位點增加，微裂紋在擴展過程中易與相鄰微裂紋彼此連接形成長裂紋而導致合金失效，裂紋擴展階段占比減少。因此低應力水平下試樣表面微裂紋萌生數量增加，同時裂紋萌生與擴展區面積減小，疲勞斷口粗糙度降低。圖5d為放大的低應力水平下的疲勞斷口形貌，可以看到，有明顯滑移變形痕跡的晶粒數量增加且單一晶粒內出現多滑移交互作用。因為隨著交變載荷的不斷作用，一些軟取向晶粒逐漸開始產生滑移變形，此時晶粒的變形驅動力不僅取決于外加載荷，也取決于周圍晶粒的協調變形程度，不同取向的晶粒變形程度不同，驅動著晶粒內部不同滑移系的開動。

3、結論

本研究系統探討了4822合金在650°C下的高溫超高周疲勞行為，主要結論歸納如下。 (1)在650°C下4822合金為脆性斷裂，拉伸斷裂形式為解理斷裂和沿晶斷裂的混合斷裂。 (2)4822合金在650°C下沒有疲勞極限，疲勞斷裂形式為準解理斷裂和沿晶斷裂的混合斷裂，片層間的裂紋擴展抗力高于片層團邊界以及等軸晶界。 (3)高應力水平下，斷裂方式為微裂紋沿晶界擴展成長裂紋所導致的脆性斷裂；低應力水平下，疲勞斷口粗糙度減小，斷裂方式為短裂紋之間的相互連接形成長裂紋所導致的脆性斷裂。

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（注，原文標題：鈦鋁合金高溫-超高周疲勞行為研究）