发布日期：2026-4-27 11:07:11
在现代工业领域，钛合金凭借其优异的比强度、耐腐蚀性能以及良好的高温性能，广泛应用于航空航天、汽车制造、生物医学等关键行业，成为众多高端装备制造不可或缺的材料［1］ 。例如，航空发动机的叶片、盘件等关键部件均采用钛合金，以满足在复杂工况下的高性能要求。疲劳是指材料在循环加载下，即使所受应力低于材料的极限强度，经过一定循环次数后，材料产生裂纹并最终断裂的现象［2］ 。
TC4 合金（Ti-6Al-4V）是一种中等强度的α-β 型两相钛合金，含有质量分数为 6% 的 α 相稳定元素 Al 和质量分数为 4% 的 β 相稳定元素V，具有优异的综合性能，在航空航天工业中获得广泛应用［3］。该合金长时间工作温度可达400 ℃，主要用于制造发动机的风扇和压气机盘及叶片，以及飞机结构中的梁、接头和隔框等重要承力结构件。TA19 合金（Ti-6Al-2Sn-4Zr2Mo）是一种近 α 型钛合金，合金中 α 相稳定元素Zr、Sn的质量分数分别为4%、2%，β相稳定元素Mo的质量分数为2%，该合金直到540 ℃还具有较高的强度，主要用于制造航空发动机的压气机机匣和飞机蒙皮等，最高长期工作温度为500 ℃。由于两种合金的使用温度限制，在选材设计阶段经常会对比两种合金的不同温度下的高周疲劳性能，并通过性能校核来确定最终选材。本研究通过在锻件毛坯上取样测试高周、超高周循环下的疲劳极限强度，对比分析疲劳性能优劣，并通过典型断口分析产生这种差异的原因。
1、实验
1.1实验材料
实验采用离心叶轮用TC4合金、TA19合金等温模锻件毛坯，共3炉10批。TC4合金热处理制度:955℃~970℃下固溶保温1h，水冷;700℃±10℃下时效保温2h，空冷[4]。TA19合金热处理制度:β相转变温度下30℃固溶保温1h，空冷;595℃±5℃下时效保温8h，空冷。
1.2实验方法
在锻件毛坯圆环弦向部位取样，取样完成后进行机加工，随后去应力退火。按GB/T3075一2021《金属材料疲劳试样轴向应力控制方法》要求，加工成标准的轴向拉伸光滑疲劳试样及缺口疲劳试样。
疲劳试验使用电磁谐振疲劳试验机进行，采用应力控制，加载波形为正弦波，应力比R为0.1，试验频率为80~120Hz。对于高温疲劳试验，设置试验温度，试验温度偏差不得超过规定温度的±2℃。目标循环寿命分别为3×107次、1x108次。
1.3试验数据处理
采用升降法测定3×107次循环寿命的疲劳极限强度，初始应力水平加载，达到目标循环寿命，判定为存活，下一根试样应力升高△o，若未达到目标循环寿命，则判定为失效，下一根试样降低 Δσ，连续的“失效-存活”为一个升降对，当获得3~5对升降对，试验停止[5]。升降法中应力水平增量△σ大约为预计疲劳极限值的5%。疲劳极限数据升降图见表1。表1显示:在最大应力 σ max 为105 MPa的应力载荷下，达到3×107次循环寿命，判定为存活;加一级应力水平到110MPa，未达到3×107次循环寿命，试样出现裂纹，判定为失效。后续应力加载及判定方法同上。
升降法结果表(示例)见表2。表2显示:100~95MPa下的对子应力为97.5MPa，对子数为1个;105~100MPa下的对子应力为102.5 MPa,
对子数为 3个; 110~105 MPa下的对子应力为107.5 MPa,对子数为 1个。升降对总数为 5个,满足升降法对数要求。
中值疲劳估计量 σ 50 计算见式(1),每级对子应力 σ i ∗ 计算见式(2),疲劳强度子样标准差 S近似计算见式(3)。
式中: n ∗为配成对子总数,个; n i ∗ 为每级配成对子的个数,个; σ i ∗ 为每级对子应力, MPa。对于指定置信度及存活率的疲劳极限值 y γ,P ,计算公式见式(4)。
式中: y ˉ 为中值疲劳强度估计量, MPa; K y,P 为与置信度和存活率相关的单侧容限系数; β为标准差修正系数; S ˉ为疲劳强度子样标准差, MPa。
2、结果与分析
2.1光滑疲劳
TC4合金和 TA19合金光滑疲劳极限见表 3。表 3显示:在室温 (25 ∘C)下, TC4合金 3×107次、 1 × 10 8次循环寿命的光滑疲劳极限分别为 490、448 MPa,显著优于同等条件下 TA19合金的光滑疲劳极限;而在 350、 450 ∘C下, TA19合金 3×107次循环寿命的光滑疲劳极限分别为 413、390 MPa,高于同等条件下的 TC4合金的光滑疲劳极限。说明 TC4合金在低温环境下的光滑疲劳性能优于 TA19合金,在中高温环境下的光滑疲劳性能弱于TA19合金。这是因为TA19合金中 α相稳定元素 Zr、Sn的固溶强化效应提高了合金的强度, β相稳定元素 Mo的固溶强化效应改善了合金的塑性,应变集中使裂纹优先在 β相萌生,在裂纹扩展阶段,由于初生 α相的强度高,使裂纹发生偏转,呈现出更低的裂纹扩展速率,延缓了疲劳裂纹扩展。
表3 TC4合金和TA19合金光滑疲劳极限
Table 3 Smooth fatigue limit of TC4 alloy and TA19 alloy
| 温度 ∘C | 光滑疲劳极限/MPa | ||
| TC4合金 (3×107次) | TA19合金 (3×107次) | TA19合金 (3×107次) | TA19合金 (3×107次) |
| 25 | 490 | 448 | 389 |
| 200 | 458 | ||
| 300 | 470 | ||
| 350 | 400 | ||
| 450 | 345 | ||
2.2缺口疲劳
TC4合金和 TA19合金缺口疲劳极限见表 4。表 4显示:在室温 (25 ∘C)下, TC4合金 3×107次循环寿命的缺口疲劳极限为 187MPa,高于同等条件下 TA19合金的缺口疲劳极限;在 200、 300 ∘C条件下, TA19合金的缺口疲劳极限分别为 175、163 MPa,高于同等条件下 TC4合金的缺口疲劳极限。说明 TA19合金在 200 ∘C以上的缺口疲劳性能优于TC4合金。
表 4 TC4合金和 TA19合金缺口疲劳极限
Table 4 Fatigue limit under notched conditions for TC4 alloy and TA19 alloy
| 温度 / ∘C | 缺口疲劳极限/MPa | |
| TC4合金 (3×107次) | TA19合金 (3×107次) | TA19合金 (3×107次) |
| 25 | 187 | 164 |
| 200 | 155 | 175 |
| 300 | 151 | 163 |
| 350 | 162 | |
| 450 | 131 | |
2.3断口检查
TC4合金疲劳断口的裂纹大部分起源于试验件表面。TC4合金起源于表面断口的典型裂纹见图 1。图 1显示:宏观断口裂纹起源于试样表面,呈现为单源起裂特征,见图 1(a);裂纹源区可见明显的撕裂棱和台阶 [6],见图 1(b);扩展区裂纹较平坦,可见较清晰、细密的疲劳条带，见图1(c);瞬断区裂纹占断口面积比例较大，未见明显韧窝，但存在明显的解理面，见图1(d)。同时，从TC4合金试样疲劳断口中观察到少量裂纹起源于试样内部。TC4合金起源于内部断口的典型裂纹见图2。图2显示:宏观断口裂纹从内部单源起裂，呈放射状扩展[7]，
见图2(a);裂纹源区未见明显缺陷，无趸性拥龋氏殖雒飨缘慕饫砻嫣卣鳎�2(b);扩展区可见大量疲劳条带裂纹，间距相对较宽，见图2(c);瞬断区未见明显韧窝裂纹，但可观察到少量二次裂纹，见图2(d)。裂纹起源于内部的试样对应疲劳循环寿命为2.6610次、9.26x107次、1.37x108次，均为疲劳寿命较长的试样。这可能是由于在疲劳循环载荷下，钛合金的裂纹内部起源机制与表面起源机制一直存在竞争关系，当应力水平相对较高时，即通常高周疲劳对应的长寿命情况下(106~107次)，由表面滑移和表面解理为主的失效方式占主导 [8];当应力水平相对较低时，即通常超高周疲劳对应的超长寿命情况下(107~109次)，载荷水平不足以使得裂纹表面快速萌生，此时钛合金中α相由于脆性特征明显，成为疲劳“最弱链”，裂纹以 α相解理方式从内部起源。
TA19合金起源于表面断口的典型裂纹见图3。图3显示:宏观断口裂纹起源于试验件表面，疲劳断口特征与TC4典型表面起裂的断口一致，均为单一裂纹源，源区附近可见明显的撕裂棱，见图3(a)、(b);扩展区较平坦，可见较清晰、细密的疲劳条带，见图3(c);瞬断区韧窝不明显,存在二次裂纹和解理特征,见图3(d)。
对于TC4合金在超长寿命下出现少量内部起裂(主要为表面起裂)，而TA19合金在长寿命和超长寿命下均表现为表面起裂的情况，这可能是由于TA19合金作为α相或近α相钛合金，合金中初生α相形态主要为球形或椭球形，且次生a相形态以棒状或短棒状形态为主，初生a相和β转变组织之间无明显的显微组织配错和应力集中。因此，TA19合金中表面起裂的断裂机制占主导。TC4合金中初生a相主要为多面体形态，与β转变组织之间可见明显平直的界面，但β转变组织与初生α相在形态、尺寸上有较大差异，内部显微组织的错配易引起在脆性α相位置产生应力集中从而萌生裂纹[9]。因此，TC4合金中表面起裂和内部起裂机制相互竞争，会随机出现表面起裂和内部起裂的不同失效形式;同时，由于TC4合金显微组织整体较为均匀一致，内部起裂概率较低，主要仍以表面起裂为主。
3、结论
1)TA19合金中α相稳定元素Zr、Sn和β相稳定元素Mo的固溶强化效应，提高了合金的强度与塑性，降低了疲劳裂纹扩展速率，导致中高温条件下的光滑疲劳极限强度与缺口疲劳极限强度均高于TC4合金，最高使用温度可达500℃。
2)TC4合金内部显微组织的错配，易引起在脆性α相位置产生应力集中从而萌生裂纹，裂纹内部起源机制与表面起源机制存在竞争关系。
参考文献:
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[5]王淼.喷丸强化钛合金叶片表面完整性与变形的模拟[D].大连:大连理工大学,2022.
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[9]YAO X,LIU P,ZHAO X. The effects of temperature and strain rate on the mechanical properties of TC4 tita-nium alloy[J]. Journal of Physics:Conference Series,2025,3141(1):012021-012021.
（注，原文标题：TC4合金和TA19合金高周疲劳性能对比及失效行为研究_罗作炜）