http://www.paper.edu.cnTi-6Al-4V合金的微动疲劳特性及其评价方法1许金泉1，武藤睦治21上海交通大学工程力学系，上海（200240）2日本长冈技术科学大学机械系，日本（940-2188）E-mail：jqxu@sjtu.edu.cn摘要：在普通钢材的微动疲劳中，由于接触界面端部的应力奇异性，疲劳裂纹萌生于寿命的初期，因而可以忽略裂纹萌生寿命，从疲劳裂纹扩展的角度，对寿命进行定量的评价。Ti-6Al-4V合金的微动疲劳特性有很大的不同，疲劳裂纹萌生在寿命的后期，一经产生疲劳裂纹就会急速扩展直至破坏，因此应从疲劳裂纹萌生的角度，来对其进行寿命分析。本文首先进行了Ti-6Al-4V合金的微动疲劳实验，结合数值分析结果，提出了基于接触界面端部应力强度系数的评价方法。该方法可以排除载荷形式和实验条件的影响，为裂纹萌生支配型的微动疲劳的强度和寿命评价，提供一种统一的方法。关键词：微动疲劳，疲劳裂纹萌生，奇异应力场，疲劳寿命中图分类号：O343.31.引言大多数材料在承受微动疲劳时，其疲劳裂纹都萌生在寿命的极早期（约在寿命的5%前后），其原因是因为在接触界面端部，存在一个奇异的应力变化幅度场。因此，可以通过疲劳裂纹在混合模态下的扩展行为，来进行疲劳寿命的分析和评价。但人们也发现，钛铝合金的微动疲劳则呈现完全不同的特性，其疲劳裂纹萌生在寿命的极后期，其原因是这种材料中的疲劳裂纹一经出现，一般就会急速扩展直至断裂（疲劳扩展的门槛值较小），也已有一些从材料微观结构来说明这一特性的文献。从工程应用的角度，这实际上意味着我们可以通过对微动疲劳初始裂纹的萌生的评价，来进行寿命分析。对这类裂纹萌生寿命占支配地位的微动疲劳的评价，目前也主要仍以公称循环应力作为评价的依据，而受到诸多实验条件的影响(例如压头压力发生变化时即需另行实验求取S-N曲线等)，不能得到其本质性的微动疲劳特性。本文以接触界面端部的奇异应力幅度场的强度系数为参数，结合实验结果，提出了形式的简洁而本质性的裂纹萌生寿命的评价方法。[1][2][3][4][5][6]mfNKC=2.微动疲劳实验及其结果利用图1所示的实验装置，将试件装于高频疲劳实验机（加载频率300Hz），即可进行微动疲劳实验。Shirai通过对循环载荷频率分别为10,50,100和300Hz的疲劳实验证明，频率对微动疲劳的影响是可以忽略的。本实验中对压头(Pad)施加的压力，是通过图2所示的加载圈施加的，利用应变片的输出，按要求的压力（本实验中使压头产生60MPa的平均压力，即480N），事先将加载圈与压头及其夹持片一起固定试件上。试件为Ti-6Al-4V棒材经机加工得到，试验部具有两个平行的表面，其表面未经研磨，仅作洗净处理。试件的形状和尺寸如图3a所示，压头及夹持片为结构钢(SM430A)，其形状和尺寸如图3b,c所示。之所以采用这种单侧固定的夹持片，是因为在高频加载条件下，常用的桥式压头会在试验过程中发生滑落，不能保证实验的正常进行。试件和压头的材料常数如表1所示。在各种循环应力幅下，进行对称循环下的疲劳实验，实验结果如图4所示，其中箭头表示未发生破断。对[7]1本课题得到教育部博士点基金资助项目(微动疲劳新理论，项目编号20030248061)的资助。-1-http://www.paper.edu.cn于发生疲劳断裂的试验（循环应力在公称疲劳极限130MPa以上），为了确认疲劳裂纹萌生寿命的支配地位，进行了参照组的实验，即在断裂寿命的90%的循环数时中止疲劳实验，用电镜观察裂纹的萌生情况，结果均未能观察到初始疲劳裂纹，说明疲劳裂纹的萌生发生在剩下的10%寿命里。有意思的是，在公称疲劳极限130aMPaσ=下进行的疲劳实验的三个试件中，其中有一个试件在循环后，表面观测到了初始疲劳裂纹，如图5所示。这意味着试件有可能在超长寿命阶段发生疲劳破坏，在普通钢材的微动疲劳中，通常循环后未破坏的试件，在承受超长寿命疲劳时仍会发生破坏，但对于本试件材料另外进行的超长寿命疲劳实验却显示在这一循环应力水平下，即使到循环的超长寿命（利用频率300Hz的试验机约需1个月左右的时间），也未发生疲劳破坏。其纵断面的观测结果表明（图6），该疲劳裂纹的深度很小，约在10-90710710[8]910mμ之间（其中已包含纵断面加工时的影响）。这...
