0TC4棒材室温疲劳寿命测定及S—N曲线的建立

房永强　杨军红　郑晓斐

摘 要：本文利用升降法确定TC4棒材的疲劳极限，采用成组法确定高应力下疲劳寿命，数据处理后建立了TC4合金棒材疲劳试验S-N曲线。

关键词：疲劳；TC4；S-N曲线

中图分类号：TG146 文献标识码：A

0.引言

TC4属于α+β型钛合金，其具有良好的综合力学性能，比强度高、熱强度好、耐腐蚀，因此在航空、航天领域中使用越来越广泛，其用于制作飞机结构件和发动机中的主要构件，这些零件通常是在交变载荷环境中运转，这势必就会引起疲劳。据统计，在各种机械失效中50%～90%是由疲劳引起的，很多失效表现为突然断裂。因此研究TC4疲劳强度对提高机械产品的可靠性和使用寿命有着非常重要的意义。本文对TC4棒材的疲劳性能进行研究，测定了TC4的疲劳寿命，建立了疲劳寿命S-N曲线。

1.试验原理

依据GB/T 3075-2008选择应力比R=0.1，在室温下进行疲劳试验，用升降法确定材料的室温疲劳极限，升降法是在给定循环基数下测定疲劳极限，试验时，从高于疲劳极限的应力水平开始，然后逐级下降，通过107则增加一级应力，反之降低一级应力，直到试验个数满足试验要求。成组法确定高应力疲劳寿命，成组法是在每级应力水平下试验一组试样，最后在每级应力水平下得到一组疲劳寿命。TC4疲劳S-N曲线的建立采用直线拟合法。

2.试验过程

2.1实验要求

2.1.1试样

试样加工成d=5mm的漏斗形试样，以防试验时试样发热变形导致试验无法进行，为降低应力集中，试样漏斗部分的圆弧半径应不小于10d，试样工作部分最小半径应在80倍光学投影仪上测量实际数据，且试样无划痕和损伤，表面质量应一致，以防止由于表面粗糙而产生断裂。试样的连接端螺纹按三级精度制造，且必须要进行螺纹磨，大量试验表明，螺纹中细小的裂纹都会导致试样断裂，从而影响试验。试样的头部和工作部分接弧需光滑，圆弧过渡部分应缓和均匀无划痕。

2.1.2设备要求

设备的精度应满足0.5级，为避免拉伸过程中产生的弯矩对试验造成影响，设备的同轴度应保证在10%以内。

2.1.3试验过程

试验时，试样必须与上下夹块须紧配合，以防止试验过程中试样抖动，受力不稳，螺纹失效。

2.2升降法确定疲劳极限

材料在长寿命区疲劳寿命具有分散性，用常规方法得到的数据不准确，本文选择了升降法测定材料的疲劳极限。试验前进行预试验，根据TC4室温拉伸试验的屈服强度作为参考点，选择一个略高于疲劳极限的应力作为起始应力，反复试验，确定起始应力715MPa，应力增量为30 MPa，选择4级应力水平进行试验，试验数据见表1。

2.3成组法确定高应力疲劳寿命

利用升降法得到材料的疲劳极限后，取6级应力水平，在每级应力水平下试验一组试样，根据经验选择5个试样，应力增量为40 MPa，试验数据见表2。

2.4数据可靠性验证

试样的数量取决于试验数据的分散度和所要求的置信度γ，本试验取置信度γ为95%，每组试样数n应满足

根据式（3）和式（4）计算每级应力水平下对数寿命和对数疲劳寿命标准差s，见表2。通过计算每级应力水平的变异系数Cv、查阅t分布函数，验证了每级应力水平试样数均能够满足公式（2）的要求，即试样的个数能够满足本试验要求的置信度。

2.5 S-N曲线的建立及分析

升降法测定的疲劳极限与成组法测定的中值疲劳寿命合并在一起，以循环次数中值疲劳寿命N为横坐标，最大应力σ为纵坐标，采用直线拟合法，得到TC4室温疲劳寿命曲线，如图2所示。

材料S-N图形的平台直观地反映了TC4室温疲劳极限，即理论上在此平台以下的区域任意选取一个应力都能循环107而不发生断裂。曲线部分反映的是此材料在给定应力下发生失效可循环的次数，即疲劳寿命。S-N曲线的建立可直观地反映了材料的疲劳极限和高应力水平下材料的疲劳极限。从图中可以清晰地看到，TC4高应力下的寿命分散性很大，特别是在700MPa时，表现得尤为突出。影响疲劳试验分散性的因素有很多，如材料的均匀性、试样的加工水平、试验机的同轴度、试验机的误差、试验温度等因素。在给定材料的条件下，实验过程中只有有效控制其他因素的影响，使疲劳寿命的分散性才能降到最低。

结语

疲劳试验是一个周期漫长的试验过程， S-N曲线的建立需要4周左右时间。试样的加工水平、试验机精度、应力水平的有效选择以及试样装夹是疲劳试验能否有效进行的主要影响因素。试验中必须严格控制TC4疲劳试样的加工水平，保证试验机力值和同轴度的要求，根据经验有效选择检测应力水平，试样合理的装夹，才能保证无效试样数量的减少，有利于试验效率和精度的提高。试验数据需要验证其可靠性和置信度，只有有效的数据方可建立有效的S-N曲线，对TC4疲劳性能的研究才有实质意义。

参考文献

[1]杨学桐.力学性能试验[M].北京：中国计量出版社，2008.

[2]G/T 3075-2008，金属材料，疲劳试验轴向力控制方法[S].endprint