单多轴变幅加载下TC21钛合金疲劳特性

钛及钛合金相对于其他金属材料具有密度低、比强度高、耐腐蚀性能好等优点 ，因此逐渐被广泛应用于各个工业领域 ，尤其在航空工业中的应用范围越来越广 。TC21钛合金是 为了满足航空飞行器要求而研制的高强韧新型钛合 金，因此在航空领域应用中具有重要地位。

工程部件 由于结构复杂或同时承受多个方向上的交变载荷，通常呈现三维应力应变状态，容易产生疲劳破坏 ，从而造成重大安全事故。 目前对钛合金单轴疲劳特性 和微观方 面的研究 已经较为成熟 ，而多轴疲劳特性 方面 的研 究 引相对较少。在变 幅疲劳方 面，有诸多学者对于单轴变幅载荷的高低载荷加载顺序对疲劳寿命的影响进行了研究小松等人 研究了单轴恒、变幅载荷对于疲劳寿命的影响，并且从微观角度给予了解释。颜鸣皋等人 在变幅载荷下对几种飞机结构材料的疲劳裂纹扩展行为及其寿命预测方法进行了评述，并报道了铝和钛合金在不同类型超载下的迟滞效应与扩展机制 。在金属 多轴变幅疲 劳特性方 面，Shang等人 研究了 GH4169合金在多轴变幅载荷下的收稿 日期：2012-014)7；修订 日期：2012-06-21基金 项 目：国 家 自然 科 学 基 金 资 助 项 目 (50975005，51010006)；北京市自然科学基金资助项 目(3092003)；北京市教育委 员会科技计划 重点 项 目(KZ201010005003)作者简介 ：田玉杰(1987-)，男，硕士研究生，主要从事机械结构 强度 研究 ，(E-mail)tianyujiehit###126.corn通讯作者：尚德广，男，主要 从事为机 械结构强 度研究，(E-mail)shangdg### bjut.edu.en。

高温特性 ，并发现在拉伸和扭转方 向上有不 同的软硬化特性。有学者着手对恒幅单轴和低周下 TC21钛合金的特性进行研究 ，而对于 TC21钛合金在变幅载荷下 的研究较少 ，本工作研究 了 TC21钛合金多轴载荷下疲劳特性和多轴变幅载荷下的疲劳性能。

1 试验材料与方法1.1 试验材料与试件试件材料为 TC21钛合金 ，化学成分如表 1所示 ，力学性能如表 2所示。薄壁管试件形状尺寸如图 1所 示 。

图 1 试件形状及尺寸Fig.1 Shape and size of specimen1.2 试验方法疲劳试验在 MTS 858拉扭 电液伺 服疲劳试验机上进行 ，使用 MTS632.68F-08型拉扭引伸计进行拉.扭应变控制加载，引伸计标距为 25mm。所有试验均采用正弦波加 载，试验频率 为 1Hz。加载路径如图2所示。时间的具体加载参数见表 3。

第 2期 单多轴变幅加载下 TC21钛合金疲劳特性 75表 2 TC21钛合金 的力 学性能Table 2 Mechanical properties of TC2 1 titaniumv/43 -T 1//、 ， J T/√/ /-)./、 ， y/d3厂 、。

图2 加载应变路径示意图 (a)单轴拉压；(b)单轴纯扭；(c)拉扭比例；(d)拉扭 45。非比例；(e)拉扭 9O。非比例Fig.2 Loading paths (a)tension loading；(b)torsion loading；(c)proportional loading；(d)45。non-proportional loading；(e)90。non-proportional loading表 3 疲劳试验加载控制参数Table 3 Multiaxial fatigue loading parameters2 恒幅加载下的疲劳性能2.1 单轴恒幅加载下的疲劳性能图3为试件在 A，B载荷下的应力.循环寿命曲线。由图 3可 以看 出 ，A 载荷 下 即等 效应 变 幅值△ /2：0.75%时，拉伸应力最大值在循环寿命前期减小明显 ，后期变化不明显 ，这说明材料在循环寿命前期存在明显软化但后期软化不明显的情况。前期软化过程大约占整个寿命循环周期的35%，后面过程 由于软化不明显可以认为基本稳定。B载荷下等效应变幅值 △8 /20.55% 时拉伸应力最 大值在整个寿命周期基本稳定 ，只在初期有-点微弱的变化 ，然后迅速达到稳定直至试件出现裂纹。

由此可知，该钛合金单轴拉压下的疲劳特性表现为循环软化 ，且软化程度 与加载应变幅值大小有80 航 空 材 料 学 报 第 33卷[J].Materials Science and Engineering(A)，2002，323(1/2)：457-461。

[9]马少俊 ，吴学仁，刘建 中，等.TC21钛合金的微观组织对力学性能的影响 [J].航空材料学报，2006，26(5)：22-25。

(MA S J，WU X R，LIU J Z，et a1.Influence of micro-structures on mechanical properties for TC2 1 titanium alloy[J].Journal of Aeronautical Materials，2006，26(5)：22- 25.)[1O]刘继波，王连兴，王兴国.钛合金 BT9低周疲劳变形结构的研究 [J].铸造设备与工艺，2009(4)：21-23。

(LIU J B，WANG L X，WANG X G.Study on low cyclefatigue deformed structure for titanium alloy BT9[J]。

Foundry Equipment and Technology，2009 (4)：21-23.)[1 1]SOBIECKI J R，WIERZCHON T.Structure and propertiesof plasma carbonitrided Ti - 6A1 - 2Cr - 2Me alloy[J].Surface＆ Coatings Technology，2006，200(14/15)：4363-4367。

[12]王兴国，丰崇友 ，于海生，等.钛合金比例及非比例加载低周疲劳行为的研究 [J].佳木斯大学学报，2006，24(1)：25-27。

(WANG X G，FENG C Y，YU H S，et a1.Study on lowcycle fatigue of titanium aloy under proportional and non-proportional load [J].Journal of Jiamusi University，2006，24(1)：25-27.)[13]蒋小松 ，何 国求 ，刘兵 ，等.恒变 幅载荷 下 Al-Si-Mg合金的疲劳行为及微观结构演变 [J].稀有金属材料与工程 ，2010，39(1)：459-463。

(JIANG X S，HE G Q，LIU B，et a1.Fatigue behaviorand microstrueture evolution of A1·Mg-Si alloy under con-stant and variable amplitude loadings[J].Rare Metal Ma-terials and Engineering，2010，39(1)：459-463.)[14]颜鸣皋，张诗捷，欧阳杰.变幅载荷下材料的疲劳裂纹扩展行为 [J].航空材料学报，1990，10(10)：1-8。

(YAN M G，ZHANG S J，OUYANG J.Fatigue crackpropagation behaviors of structural materials under variableamplitude loading[J].Journal of Aeronautical Materials，1990，10(10)：1-8.)[15]SHANG D G，SUN G Q，DENG J，et a1.Multiaxial fa-tigue behavior of Ni-based superaloy GH4169 at 650 oC[J].Materials Science and Engineering(A)，2006，432(1/2)：231-238。

Fatigue Properties of TC21 Ti-Alloy under Uniaxial andM ultiaxial Cyclic Variable Amplitude LoadingTIAN Yu-jie ， SHANG De.guang ， CHEN Hong ， LIU Jian.zhong(1.Colege of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2.Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China)Abstract：The fatigue properties of TC2 1 Ti-alloy for thin-wal tube specimen are investigated under uniaxia1.tension-torsion propor-tional，non-proportional and variable amplitude loading.All tests are strain-controlled.The results indicate that cyclic softening behav-ior is shown for TC2 1 aloy under uniaxial and proportional tension-torsion constant amplitude loading，and the cyclic softening is moreobvious under large strain amplitude loading.The large strain loading folowed by small strain loading under non-proportional loading，shows that the cyclic hardening for tension stress is responded in the smaller strain loading stage due to the previous larger strain loadingstrengthening for tensional properties。

Key words：multiaxial fatigue；proportional loading；non-proportional loading；variable amplitude；cyclic softening and hardening