利用聲發射技術研究鑄態Ti46Al8Nb合金疲勞壽命

摘 要：本文通過聲發射（AE）實時監測技術研究了鑄態Ti46Al8Nb合金的疲勞壽命變化特點及斷裂機制。實驗結果顯示，在250MPa的相同循環應力水平下，TiAl合金疲勞壽命非常分散，聲發射特征也存在顯著區別。低壽命（103）時，AE信號連續，高壽命（106）時，信號出現間歇中斷。這可能是因為粗大晶粒和全片層結構的各向異性導致了微觀結構短裂紋向物理小裂紋和長裂紋擴展的轉化過程不同，因此疲勞壽命具有不同的規律。
關鍵詞：鑄態Ti46Al8Nb合金；疲勞壽命；聲發射（AE）；無損檢測；評定 超聲波液位計 超聲波物位計 超聲波清洗機 超聲波測厚儀 洗片機
0 前言
汽車或航空發動機的高溫部件如渦輪盤、葉片和氣門閥等是TiAl基金屬間化合物主要的應用領域。在服役的過程中，這些構件受著明顯的交變應力的作用，疲勞是失效的主要形式之一。而鑄造合金在成本上有著明顯優勢，近來受到特別地關注，但鑄態合金有著明顯不同于變形合金的特征，顯著影響合金組織性能。因此研究鑄態TiAl合金疲勞行為的規律和機理，對合金的安全可靠服役具有重要意義。
金屬間化合物通常在室溫下塑性較差，因此研究它的疲勞損傷過程有一定的困難，特別是實驗數據常常具有很大的分散性。聲發射技術是研究金屬變形行為十分有效的工具之一，可以檢測出早期的破壞并且能夠實時監測材料在疲勞過程中的變形與斷裂行為，采集大量有關信息從而為分析材料的疲勞失效規律提供依據。TiAl合金這種具有脆性和各向異性的材料對聲發射非常敏感，因此利用這種實驗手段來研究該合金的疲勞行為可以監測到一般方法無法探測的材料在循環載荷下的連續變形行為。已有文獻報道了利用聲發射來研究TiAl合金的疲勞行為，主要得到了以下結論：預先加載導致的微裂紋是沿片層開裂的[1]，而且這些微裂紋會成為疲勞失效的位置[2,3]。
1 實驗方法
疲勞壽命實驗在日本島津EHE-EB10-20L電液伺服疲勞試驗機上進行。實驗條件為恒載荷控制，正弦波加載，載荷比R=-1，加載頻率f=10Hz。疲勞樣品斷口用FEI XL30 ESEM掃描電鏡觀察。
Threshold 35dB
Peak Definition Time (PDT) 300us
Hit LockTtime (HLT) 3000us
Hit Definition Time (HDT) 600us
Front end filter No
Line orientation graph filter Yes
??? 聲發射疲勞實驗在Instron8562型疲勞試驗機上進行，實驗條件為恒載荷控制，正弦波加載，載荷比R=0.1，加載頻率f=2Hz。聲發射實驗采用PAC公司的4通道全數字DiSP聲發射系統。帶寬為20-1000Hz的兩個寬帶傳感器（美國PAC公司出產的WD型）對稱分布于工作段兩端，與樣品之間采用2211型硅油耦合劑耦合。表1為聲發射實驗參數設置。實驗中記錄了振鈴數，事件數，幅度等參數。
??? 2實驗結果與分析
??? 2.1 鑄態Ti46Al8Nb合金的應力-壽命關系
??? 圖1所示為鑄態Ti46Al8Nb合金的應力－壽命（S-N）曲線。總的來說，鑄態Ti46Al8Nb合金的疲勞極限比較低，在160MPa左右，而且當應力達200MPa后， 疲勞壽命就非常低了，最終斷裂前的循環次數不足1000周，有的甚至只有幾周。另外在相同的應力水平下，TiAl合金的疲勞壽命可有幾個數量級的變化，這說明TiAl合金的疲勞數據有很大的分散性，這也是鑄態TiAl合金疲勞行為的另一個重要特點。
??? 目前認為[4]，TiAl合金應力－壽命曲線具有很大分散性的原因是TiAl合金的疲勞行為受兩種不同的疲勞模式所控制：（1）疲勞微裂紋從表面萌生，這將導致TiAl合金很低的疲勞壽命，（2）疲勞微裂紋從次表面萌生，在這種情況下，疲勞壽命較高。在循環載荷的作用下，哪種模式起主要作用決定該疲勞樣品的壽命如何。而對于某個樣品來說，其疲勞行為究竟由哪種方式控制則有一定的隨機性。這就導致了該合金的疲勞壽命的變化幅度較大。
??? 2.2 250MPa應力下具有不同疲勞壽命樣品的聲發射信號比較
??? 為了研究TiAl合金疲勞數據分散的內在原因，在相同的應力水平下進行疲勞實驗，并用AE技術來研究不同壽命時的AE信號規律。圖2是在250MPa下一個疲勞壽命比較低（Nf＝6000周）的Ti46Al8Nb合金樣品的疲勞過程聲發射信號。該圖顯示了樣品從承受載荷開始一直到最終斷裂的完整的疲勞過程。由圖可知，在材料受循環載荷的初期，聲發射信號的強度就比較高，隨著時間的延長，聲音的強度有一些下降的趨勢，但是，在斷裂之前，聲發射信號的強度急劇增大，斷裂時達到最大值。在循環加載的初期，AE信號很強，說明裂紋很早就萌生，并以較快的速率發展，而且可以看出裂紋的發展有減速的趨勢，但是裂紋很快過渡為加速擴展，因此疲勞壽命較低。
??? 圖3是在250MPa具有高疲勞壽命（Nf＞106周）的Ti46Al8Nb合金樣品的聲發射信號。在受循環應力的早期（100周以內），樣品中就有大量的聲音信號產生，而且聲發射信號的強度較高，說明此時材料內部的各種運動（位錯，滑移以及微裂紋的萌生）比較活躍；而隨著時間的延長，聲發射信號逐漸消失（約2000周至10000周），說明在這個階段材料內部裂紋在擴展過程中遇到了某一較強的障礙而停止發展。然而，經過一定的周次后，聲發射信號再次出現，這說明在循環應力的作用下，微觀的損傷不斷積累，裂紋擴展克服了這一障礙（也可能是由于損傷積累，在材料的其它位置產生了新裂紋），材料重新處于活躍階段。不久之后，聲音信號再次消失，樣品中的各種運動又停止了。在循環載荷的作用下，該疲勞樣品就這樣處于活躍－休眠的循環之中。從圖中可以看到，材料的"休眠"期越來越長（請注意圖中時間軸采用的是對數坐標），此樣品在2.2′106周沒發生疲勞斷裂后從實驗機上取下，因此圖3只是該樣品疲勞過程前期的聲發射信號，不包括樣品最終斷裂時的信號。
??? 在相同的裂紋擴展驅動力下，微觀結構短裂紋的擴展速率隨裂紋長度的增加而下降，而物理小裂紋和長裂紋的擴展速率隨裂紋長度的增加而增加，總的裂紋擴展速率表現為圖4所示的"V"字型。從圖中可以看到，同樣在Ds3的作用下，微觀結構短裂紋的擴展會在裂紋長度為b3時停下，而物理小裂紋開始擴展的最小裂紋長度為a3，b3與a3的差值使裂紋最終停在b3長度而成為不擴展裂紋，因此出現疲勞極限，但是如果把應力幅提高到Ds2，微觀結構短裂紋擴展速率變快，在長度為b2時停下，而物理小裂紋開始擴展的最小裂紋長度為a2，于是微觀結構短裂紋可以過渡到物理小裂紋，開始加速擴展，并導致最終的疲勞斷裂。
??? 因此裂紋是否可以由微觀結構短裂紋發展成為物理小裂紋是材料疲勞壽命的關鍵。對TiAl疲勞樣品而言，在循環加載的初期，AE信號都很強，說明裂紋可能比較早就萌生了，對于低壽命樣品，試樣在經歷了微觀結構短裂紋的減速擴展階段后，轉化為物理小裂紋，并以較快的速率發展，從而較早發生斷裂，因此AE信號表現出相應的馬鞍狀規律。對于高壽命樣品，AE信號在一定周次后停止，說明試樣中的裂紋擴展遇到障礙，經過一定周次的循環應力作用，這一障礙有可能被突破，因此AE信號重新被檢測到，直到遇到另一障礙。從圖中可以看出，裂紋擴展的"休眠"期越來越長，因此試樣具有較高的疲勞壽命。
實驗所用的材料鑄態合金具有特殊的片層組織結構，而且晶粒粗大。在相同的應力幅下TiAl合金的疲勞過程有如此明顯的差異，這與實驗材料對裂紋擴展阻滯的特性有關。當裂紋平行于片層取向時，裂紋擴展容易，而當裂紋垂直于片層取向時，裂紋擴展比較困難。由于晶粒粗大，在有利裂紋擴展的片層取向時，疲勞裂紋很容易發展過渡到加速擴展階段而過早斷裂。而如果材料內部微裂紋的擴展遭遇不利片層取向（強的疲勞裂紋擴展障礙）就可能出現停滯、損傷積累后再擴展，從而出現聲發射結果的"休眠"現象，如果裂紋擴展一直處在不利取向下，就可能得到較高的疲勞壽命。
3 結論
鑄態Ti46Al8Nb合金疲勞壽命的數據分散性比較大，應力水平的微小變化就可以導致壽命的劇烈變化。在相同應力水平250MPa下，不同疲勞壽命的鑄態Ti46Al8Nb合金的聲發射行為明顯不同，粗大晶粒和全片層結構的各向異性導致了具有不同疲勞壽命的樣品斷裂行為不同。