超高强韧钛合金作为航空钛合金系列化跨代发展的高机能主干资料之一，拥有高比强度?高比模量?高韧性?抗委顿蹬着异的综合机能，能够满足新一代兵器设备轻量化?长命命等设计使用要求，是目前新型钛合金开发和利用钻研的沉点方向，需要十吩烊切 [1-4]?

超高强韧钛合金由于拥有超高强度，因而其利用重要集中于机体的关键承力结构?在机体的腾飞和着陆的过程中，每次都要接受一次增压和卸压的交替交变载荷 [5]，在这些交变载荷的持久作用下，可能引起委顿裂纹的形核?扩大及断裂 [6-7]，因而委顿景象是一个极为沉要的钻研领域?

早在 19 世纪上半期，August Wohler 意识到，远低于结构静强度水平的单次载荷不会对结机关成任何危险，但若是同样的载荷沉复屡次，在没有任何预兆的情况下产生的则会造成结构的齐全粉碎?赵少汴 [8] 钻研了局显示，委顿失效在机械构件的失效中占比高达 80%~90%，而在航空构件中委顿失效则占 80% 以上?因而，钻研并分析钛合金资料的委顿寿命拥有沉大的工程领导意思 [9]?

TB17钛合金是中国航发北京航空资料钻研院在 “十二五” 总装预研支持下研造的一种拥有自主知识产权的飞机结构用新型超高强韧钛合金 [10-14]，拥有优异的综合力学机能?本工作重要钻研了 TB17钛合金拥有双态组织?网篮组织与片层组织特点的高周委顿机能与断口描摹，分析其委顿断裂机理，为 TB17钛合金的工程化利用与选材提供肯定的数据支持?

1、实 验

尝试资料选用经 3 次真空自耗电弧熔炼后的 TB17钛合金铸锭，后经单相区开坯?两相区反复墩拔铸造后得到 Φ210 mm 的棒材，随后别离通过两相区铸造 + 两相区热处置?准 β 铸造 + 两相区热处置?两相区铸造 +β 热处置获得拥有双态组织?网篮组织和片层组织特点的厚度为 90~100 mm 的锻坯?选取金相法测得该合金相变点在 848 ℃左近?

选取线切割的步骤从经过热处置的 TB17钛合金锻坯上别离截取纵向显微组织试样?室温拉伸试样和高周委顿试样?选取 Sigma 300 场发射扫描电子显微镜进行显微组织观察?样品用自动抛光机抛光，而后在V(HF):V(HNO₃):V(H₂O)=10:7:83的侵蚀液中进行侵蚀处置；室温拉伸机能按 GB/T 228.1-2010 尺度测试，选取工作区直径为 5 mm 的 R7 圆棒形试样，拉伸试验在 INSTRON 5887 拉伸试验机上进行；轴向应力委顿试验按 GB/T 3075-2008 尺度测试，测试设备为 QBG-100 型高频试验机，试验环境为室和善空气，试验频率为 105~120 Hz，正弦波加载，试样应力集中系数K_t=1，应力比R=0.1?选取起落法推算出 TB17 分歧显微组织的委顿极限，通过三参数幂函数法拟合得到委顿S-N曲线?选取 SUPRA55 型场发射扫描电镜观察合金的委顿断口描摹?

2、了局与分析

2.1 显微组织特点

TB17钛合金经分歧铸造工艺和热处置工艺获得的显微组织如图 1 所示?能够看出，TB17钛合金经过两相区铸造 + 两相区热处置后的显微组织为双态组织(图 1a)，其显微组织特点由 β 转变基体上散布着不陆续的初生 α 相以及在时效过程中从残留 β 相中析出的弥散散布的细片层状 α 相组成，没有显著的晶界产生?其初生 α 相的状态出现出等轴状或短棒状，含量约为 12.2%，细片层状 α 相的片层厚度为 20~50 nm?

TB17钛合金经过准 β 铸造 + 两相区热处置后的显微组织为网篮组织(图 1b)，其显微组织均由丛飕状 α 相?残存 β 相以及其上弥散散布的细片层状 α 相组成，无原始 β 晶界，丛飕状 α 相出现互订交错的编织状?其丛飕层 α 相的含量约为 16.5%，细片层状 α 相的片层厚度为 35~60 nm，略高于双态组织的片层厚度?

TB17钛合金经过两相区铸造 +β 热处置后的显微组织为片层组织(图 1c)，其显微组织均由晶界 α 相?沿晶界析出的片层 α 相以及晶内析出的片层 α 相组成?由于热处置温度处于单相区，因而合金在固溶冷却和等温时效过程中形成了显著的晶界，片层状次生 α 相从晶界以及晶内同时析出，在晶内彼此交错排布，其片层 α 相的厚度为 40~100 nm?

2.2 室温拉伸机能

TB17钛合金经分歧铸造工艺和热处置工艺获得的室温拉伸机能如表 1 所示?能够看出，双态组织状态下的 TB17钛合金拥有最好的强塑性匹配水平，在抗拉强度高达 1376 MPa 的同时，还拥有 8.2% 的延长率，充分显示了双态组织在静态拉伸机能方面的综合优势?等轴组织或双态组织的拉伸变形通常是在 α 相个别晶粒中以滑移起头的，随变形水平的增长，滑移占据越来越多的 α 晶粒，并向周围的转变 β 组织扩大，滑移带间距幼，晶界处位错塞积应力幼，推迟了浮泛的形成和发展，在合金断裂前可产生很大的变形，从而获得很高的塑性?

表 1 TB17钛合金分歧显微组织的室温拉伸机能

Table 1 Room temperature tensile properties of TB17 titanium alloy with different microstructures

当显微组织为网篮组织时，TB17钛合金的强度和塑性均低于双态组织，尤其是断面收缩率，仅为双态组织时的 50%?当显微组织为片层组织时，由于其固溶加热温度处于单相区，形成了粗壮的 β 晶粒和陆续网格状晶界 α 相，固然其拉伸强度显著高于双态组织和网篮组织，但片层组织中统一 α 集束拥有一样的惯析面，位错在扩大时将绝不故障地穿过相互平行的 α 集束，使得垂直滑距长，容易出现粗滑移带和微区变形不均匀，从而在晶界处产生严沉的位错塞积，推进了浮泛的形成和发展，导致试样过早断裂，因而塑性较低?因而，片层组织的延长率和断面收缩率显著低于双态组织和网篮组织?

2.3 室温应力高周委顿

拥有分歧显微组织特点的 TB17钛合金在R=0.1，K_t=1时的S-N拟合曲线如图 2 所示，选取指数函数公式对委顿尝试数据进行拟合，以为应力与委顿寿命的对数呈线性关系?能够看出，当 TB17钛合金的显微组织特点为片层组织与网篮组织时，其委顿寿命均随应力的降低逐步升高，呈线性关系，且片层组织的分散性较大；当 TB17钛合金的显微组织特点为双态组织时，其委顿寿命与应力呈双线性关系，在各自线性曲线中寿命随应力的降低而提高，双线型的S-N曲线散布同时期表了双态组织的委顿机能不不变，即双态组织的 TB17钛合金在委顿过程中受到 2 衷祓裂机造相互竞争的滋扰，不能确定资料优先受到内部危险还是表表危险?

在 TB17钛合金中，其双态组织重要由 β 转变基体上散布的不陆续的?占比为 12.2% 的?呈等轴状或短棒状的大块初生 α 相，残留 β 相，以及在时效过程中从残留 β 相中析出的弥散散布的藐幼片层状 α 相组成 (图 1a)。在该显微组织结构中，与初生 α 相相比，β 相的强度较低，并且体心立方结构的 β 相滑移系比密排六方结构的初生 α 相多，因而在低应力作用下 β 相内的位错会优先开动，位错在 β 相和初生 α 相的相界面处或在初生 α 相晶粒与 β 相晶粒的界面处不休累积形成位错塞积，位错塞积的产生造成了较高水平的应力集中?而初生 α 相晶粒尺寸较大，滑移系较少，协调变形的能力弱，这使得位错塞积作用更显著，裂纹更易萌生于试样内部的初生 α 相晶粒处，即容易在初生 α 相的界面处产生幼刻面?同时，在一些情况下，由于组织状态不均匀，可能出现多个初生 α 相晶粒的荟萃，所形成的初生 α 相晶粒簇分裂形成初始委顿裂纹，使源区描摹出现 “幼刻面” 簇的特点，“幼刻面” 的出现使得裂纹形核，从而推进了裂纹扩大?

选取起落法推算得出拥有分歧显微组织特点的 TB17钛合金的委顿强度，如表 2 所示?能够看出，拥有网篮组织特点的 TB17钛合金委顿强度最高，达到了 925.7 MPa，拥有片状组织特点的委顿强度次之，达到了 911.4 MPa，略低于网篮组织，而拥有双态组织特点的委顿强度最低，仅为 860 MPa，显著低于其他 2 种组织特点的委顿强度?

传统概想以为，合金的委顿比(σD/R_p0.2) 是判断分歧资料综合委顿机能曲直的沉要指标，委顿比越大，合金的综合委顿机能越好?如高强钢的委顿比为 0.55~0.65，铝合金及镁合金等分歧有色金属的委顿比为 0.3~0.5 [15]，显然高强钢的综合委顿机能要优于通常有色金属?如表 2 所示，网篮组织的委顿比最高，达到了 0.75，双态组织次之，为 0.67，而片层组织最低，仅为 0.63?这注明，TB17钛合金 3 种组织的委顿比均超过了 0.6，拥有优异的综合委顿机能，相比力而言，网篮组织的综合委顿机能最好，片层组织最差?

表 2 拥有分歧显微组织的 TB17钛合金的力学机能

Table 2 Mechanical properties of TB17 titanium alloy with different microstructures

2.4 断口分析

2.4.1 委顿裂纹萌生特点

拥有分歧显微组织特点的 TB17钛合金的高周委顿裂纹萌生地位和源区数量如表 3 所示，分歧显微组织特点钛合金的宏观断口描摹如图 3~ 图 5 所示?由表 3 和图 3~ 图 5 能够看出，委顿裂纹萌生地位和源区数量等断口特点与最大委顿加载应力和循环周次存在肯定的关系，高委顿加载应力往往导致低的循环周次?

当委顿加载应力处于低应力状态时，其循环周次往往较高，委顿裂纹偏差于在试样内部萌生；当委顿加载应力处于高应力状态时，其循环周次往往较低，委顿裂纹偏差于试样表表萌生?同时当委顿加载应力处于低应力状态下，委顿裂纹偏差于单源萌生，而在高应力状态下，委顿裂纹则偏差于多源萌生?

如当显微组织为双态组织时，s9-31 试样的委顿加载应力为 800 MPa，其循环周次为6.06 ×10⁶，委顿裂纹从试样内部萌生，且为单委顿源 (图 3a)，而 s9-2 试样的委顿加载应力为 1080 MPa，其循环周次为1.4 ×10⁴，委顿裂纹从试样表表萌生，且为多委顿源 (图 3b)?在委顿扩大区大幼方面，当委顿裂纹萌生地位一样时，片层组织和双态组织的委顿扩大区大幼随委顿加载应力的升高而出现减幼趋向，网篮组织则无显著的法规?

表 3 拥有分歧显微组织的 TB17钛合金的高周委顿裂纹萌生地位和源区数量

Table 3 Location and number of source regions of high cycle fatigue cracks in TB17 titanium alloy with different microstructures

2.4.2 委顿裂纹萌朝气造

拥有分歧显微组织的 TB17钛合金代表性的断口描摹如图 6~ 图 8 所示?通过宏观断口描摹观察能够发现，委顿断口均由委顿源区?裂纹扩大区和瞬断区组成，且为滑移主导失效?

由表 3 能够得出，在高委顿加载应力状态下，分歧显微组织 TB17钛合金的委顿裂纹均偏差于表表萌生且为多委顿裂纹源?和其他钛合金甚至高强钢的微观萌朝气造一致，在高应力循环载荷的作用下，试件表表会形成大量的驻留滑移带 (PSB)[16] 和挤出带粗糙区，该区域粉碎了试件表表的组织陆续性，从而产生应力集中进而促使大量微裂纹形成?同时该情况下较大的循环委顿载荷应力为裂纹扩大持续提供表表能和输入变形功，使微裂纹持续扩大和衔接，最终形成了较大裂纹?分歧地位的大裂纹再次交汇后，较高的裂纹扩大速度会迅速导致资料断裂?

而在低委顿加载应力状态下，裂纹偏差于试样内部萌生，以界面的开裂或某种相的开裂并形成 “幼刻面”(small facet) 特点的方式发源?当试样的表表滑移变形带来的粗糙区不及以引起试样的委顿失效时，资料的显微组织和晶粒取向对试样的委顿失效起主导作用?对于钛合金来说，由于各相组织部门力学机能 (强度?塑性等) 与晶粒取向的差距，使得资料即便在宏观弹性循环载荷作用下，某些晶粒因接受高于其微观弹性极限应力而进入塑性变形阶段?随着载荷作用次数的增长，部门塑性应变逐步累积，微观应变梯度逐步升高，促使资料内部微观应变沉新分配，在晶粒取向差较大或者组织不均匀的处所产生应力集中导致微裂纹形成，随着循环加载的进行，表界载荷为裂纹扩大提供能量使微裂纹持续扩大形成失效裂纹?

双态组织 TB17钛合金的断口描摹如图 6 所示?能够看出，红色圆圈象征的地位为裂纹汇聚于亚表表的主源地位 (图 6a)，委顿裂纹为单委顿源且于试样内部萌生?靠近委顿源区可见放射棱线和 “幼刻面” 存在，远离源区可见弧形扩大棱线?在委顿应力加载初期，靠近委顿源区裂纹的扩大速度较慢，委顿裂纹在循环载荷的不休反复作用下，委顿断口表表由于反复张开关合而造成挤压磨损，因而裂纹源区通常比力平坦光滑 (图 6b)，委顿裂纹沿着一系列拥有分歧高度的宏观幼平面向周围辐射扩大，形成以裂纹源为中心向周围辐射的放射线和台阶?随着委顿裂纹的持续扩大，委顿断裂过程进入了扩大区域，阐发为准解理断裂，并且存在大量不陆续的委顿条带和二次裂纹 (图 6c)，同时在扩大区也出现了一些台阶状特点，由于资料内部显微组织 (晶粒取向?晶界和第二相质点等) 的差距，裂纹扩大可能会由一个平面转移至另一个平面，因而分歧区域的委顿条带有时辰布在高度分歧?方向有此外平面上?最后断口由扩大区进入瞬断区 (图 6d)，其表表由多多相互衔接的凹坑组成，描摹粗糙，阐发为韧窝断裂特点?

网篮组织 TB17钛合金的断口描摹如图 7 所示?能够看出，与双态组织类似，委顿裂纹源均萌生于试样内部，且为单一委顿源 (图 7a)，其宏观断口相对粗糙，断口表表升沉较大，裂纹扩大区和瞬断区没有显著的界限，出现逐步过渡的特点，这与网篮组织拥有优异的断裂韧杜仔关，在裂纹扩大过程中吸收了大量能量，从而难以形成瞬断的特点?在委顿应力加载初期，同样形成了以裂纹源为主题向周围辐射的放射线和台阶，描摹与双态组织类似 (图 7b)?

在裂纹扩大区 (图 7c)，其委顿条带要多于双态组织，越发清澈密集，且二次裂纹数量更多，注明网篮组织的裂纹扩大蹊径更崎岖，在扩大时亏损的能量更多?委顿条带是委顿裂纹扩大区的典型微观特点，是一系列根基上相互平行?略带弯曲的波浪形条纹，这些条带的长度方向与部门裂纹扩大的方向垂直，委顿条带的间距暗示裂纹扩大速度，间距越宽，扩大速度越大?由于资料内部晶粒取向?晶界等显微组织的差距，导致委顿裂纹扩大的平面可能由一个显著转移到另一个平面，从而分歧区域的委顿条带有时呈此刻高度不等?方向相异的平面上?梦想状态下的委顿条带的数量应该与循环载荷数量相称，但由于裂纹关合效应等成分的影响，循环载荷数量远弘远于微观可见的委顿条带数量 [17-18]?网篮组织的瞬断区 (图 7d) 出现混合断口的描摹特点，相对于双态组织，其韧性韧窝特点更显著，且存在少量的委顿条带?

TB17钛合金片层组织的断口描摹如图 8 所示?能够看出，委顿裂纹源均萌生于试样表表，且为多委顿源，红色圆圈象征的地位为裂纹汇聚于表表的主源地位 (图 8a)，其宏观断口相对粗糙，整个断面可见大晶粒的原始描摹，这与片层组织拥有粗壮的 β 晶粒相切合，扩大区面积与双态组织相当?与双态组织和网篮组织分歧，由于片层组织的源区位于试样表表，因而其大量放射状棱线以裂纹源为中心向试样内部延长，且放射状棱线更为整齐 (图 8b)?在裂纹扩大区，其委顿条带断面更为细腻，委顿条带破碎化，仅存在少量的二次裂纹 (图 8c)，瞬断区描摹粗糙，断口边缘可见倾斜的剪切唇，阐发为剪切韧窝断裂特点 (图 8d)?

3、结论

TB17钛合金在双态组织状态下拥有最好的强塑性匹配水平，网篮组织状态下的强度和塑性略低于双态组织，而片层组织由于存在粗壮的 β 晶粒和陆续网格状晶界 α 相，获得了最高的抗拉伸强度，但拉伸塑性降落显著?

TB17钛合金在 3 种组织状态下均获得了较高的高周委顿强度，相比力而言，网篮组织的委顿强度和委顿比最高，双态组织由于其委顿寿命与应力呈双线性关系，委顿机能并不不变，委顿强度最低，而片层组织的委顿比最低?

分歧显微组织的高周委顿加载应力处于低应力状态时，委顿裂纹偏差于试样内部?单源萌生，处于高应力状态时，委顿裂纹偏差于试样表表?多源萌生?

分歧显微组织的高周委顿断口均由委顿源区，裂纹扩大区和瞬断区组成，且为滑移主导失效?网篮组织的委顿扩大区存在更多的二次裂纹，且委顿条带更为清澈密集，注明网篮组织的裂纹扩大蹊径更崎岖，在扩大时亏损的能量更多?

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（注，原文标题：显微组织对TB17钛合金高周委顿机能的影响）