[发明专利]一种基于疲劳断口分析的钛合金保载疲劳失效判定方法

说明书

本发明一种基于疲劳断口分析的钛合金保载疲劳失效判定方法，属于金属材料失效分析技术领域。本发明通过对疲劳失效断口的宏观判断和微观分析，结合钛合金在保载载荷下的失效断口特征评估，判断钛合金失效是否由保载疲劳效应引起，并通过量化断口特征区域评估保载疲劳效应的强弱。本发明能够在未知疲劳载荷历史的情况下通过疲劳失效断口的分析判断是否为钛合金材料和零部件的保载疲劳失效，具有方法简单、可实施性强的优点。

技术领域

本发明一种基于疲劳断口分析的钛合金保载疲劳失效判定方法涉及钛合金保载疲劳失效判定方法，属于金属材料失效分析技术领域。

背景技术

钛合金材料一般具有较高强度、较低密度、优异的耐腐蚀性能和较好的抗疲劳性能等特点，作为一种综合力学性能优异的轻质金属结构材料，钛合金在航空航天、汽车制造、海洋船舶等领域得到较为广泛的应用，特别在航空发动机领域，钛合金的较高综合力学性能和较低的合金密度使其在与其它金属结构材料的竞争中具有明显的优势。在对航空发动机用钛合金盘锻件的开发和应用过程中，研究人员发现近α和α+β型高温钛合金中存在一种不同于其他金属结构材料一般疲劳的失效行为——保载疲劳。部分钛合金零部件在服役前通过了常规低周疲劳性能测试，但在服役时的实际失效疲劳寿命严重低于预测寿命。这种在相同的应力条件下，近室温温度区间的附加保载阶段载荷引起疲劳寿命显著低于常规三角波疲劳寿命的现象被称为钛合金的保载疲劳效应。

不同于其他金属结构材料的一般疲劳失效行为，保载疲劳失效是存在于钛合金中的一种较为特殊的失效形式。但是由于钛合金零部件在服役过程中通常经历较为复杂的服役过程，其最终失效过程和形式也相对复杂，如何准确的判断钛合金零部件的保载疲劳失效行为，对钛合金零部件失效原因分析和追溯有着重要价值。

发明内容

本发明的目的：提出一种钛合金保载疲劳失效行为判定方法，通过对疲劳失效断口的宏观判断和微观分析，结合钛合金在保载载荷下的失效断口特征评估，判断钛合金失效是否由保载疲劳效应引起，且量化评估保载载荷对其失效行为的影响程度。该方法可以为钛合金的保载疲劳行为研究和零部件失效行为分析提供重要参考。

本发明的技术方案：一种基于疲劳断口分析的钛合金保载疲劳失效判定方法，所述方法包括以下步骤：

(1)疲劳失效断口试样的制备与清洗处理；

(2)对断口试样上疲劳裂纹起裂位置进行初步判断，初步观察断口形貌，当断口附近呈现扇形的疲劳条带汇聚形态时，初步判断断口上疲劳裂纹起裂位置为表面起裂；否则，初步判断断口上疲劳裂纹起裂位置为非表面起裂；

(3)对步骤(2)中判断为表面起裂的断口试样的分析，确认断口是否存在“小平面”及准解离“河流”花样特征区域，若断口上未发现“小平面”特征及其附近的准解理“河流”花样，则判断断口为A类不包含保载效应的疲劳失效断口；若断口上发现“小平面”特征及其附近的准解理“河流”花样，则判断断口为B类包含保载效应的混合疲劳失效断口；

(4)对步骤(2)中判断为非表面起裂的断口试样的分析，确认断口表面是否存在“小平面”特征区域和疲劳条带特征，若断口上发现“小平面”特征及其附近的准解理“河流”花样，且发现疲劳条带特征并根据疲劳条带的垂直和汇集方向可追溯至表面起裂形貌，则判断断口为B类包含保载效应的混合疲劳失效断口；若断口上发现“小平面”特征及其附近的准解理“河流”花样，但未发现疲劳条带特征，则判断口为C类完全保载疲劳失效断口；若断口上未发现“小平面”特征及其附近的准解理“河流”花样，也未发现疲劳条带特征，则判断断口为D类非疲劳失效断口。

所述步骤(1)疲劳失效断口试样的制备需保证试样尺寸满足体式显微镜和扫描电镜的尺寸要求，截取断口试样应保留全部潜在的裂纹起裂及扩展区域和部分瞬断区域；断口试样的清洗时需保证断口表面洁净，无污染。

在步骤(2)中采用宏观或体式显微镜下观察断口形貌，显微镜放大倍数10～50倍。