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表面涂层对TC18疲劳性能的影响,表面,涂层,对于,tc18,疲劳,性能,机能,影响
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题目：表面涂层对 TC18 疲劳性能的影响年 月 日表面涂层对 TC18 疲劳性能的影响摘要通过旋转弯曲试验测定疲劳极限和疲劳寿命研究了表面涂层对 TC18 钛合金疲劳性能的影响。采用成组法测定了疲劳极限 -1 和有限寿命，同时分析了试验数据，对比分析了有涂层和无涂层状态下两种试样性能的具体影响。结合扫描电子显微镜观察了疲劳断口形貌，并分析了断裂机理；同时借助金相显微镜观察了金相显微组织，分析表面粗糙度对疲劳的影响。通过疲劳试验及后续分析结果表明：表面涂层的存在对 TC18 钛合金基体的疲劳性能影响显著，碳化钨（WC）涂层降低了 TC18 钛合金试样的旋转弯曲疲劳寿命。有喷涂的试样疲劳源呈现出单一性，而无喷涂的试样疲劳源呈现多源性。有涂层的试样金属表面粗糙度较大，试样表面应力集中点增多，致使疲劳寿命缩短。疲劳裂纹原于表面，近源区呈放射性形貌，扩展区是明显的脆性材料的疲劳条带及二次裂纹，瞬断区为深度浅的等轴韧窝及准解理面。关键字：TC18 钛合金；弯曲疲劳；疲劳寿命；碳化钨涂层；粗糙度IThe influence of surface coating on the fatigue properties of TC18AbstractFatigue life and fatigue limit the influence of surface coating on the fatigue properties of titanium alloy TC18 measured by rotating bending test. Groups were determined by using the fatigue limit -1 and limited life expectancy, while analysis of the experimental data, comparative analysis of the performance of the specific impact of the two samples under coated and uncoated state. Scanning electron microscopy combined with the fatigue fracture surface and the fracture mechanism; same time with a metallurgical microscope to observe the microstructure, surface roughness analysis of the impact of fatigue.By fatigue tests and subsequent analysis showed that: There is a significant impact surface coating on the fatigue performance of TC18 titanium alloy matrix, tungsten carbide (wc) coating reduces the TC18 titanium rotary bending fatigue life of the specimen. There spraying fatigue specimens showing the source of unity, fatigue specimens without coating presents multi-source derived. The coated metal surface roughness of the sample is large, an increase in surface stress concentration point of the sample, resulting in shortened fatigue life. Fatigue crack the original on the surface, near the source area was radioactive morphology, expansion area is evident strip brittle material fatigue and secondary cracks, short-break zone is a shallow depth of equiaxed dimple and quasi-cleavage plane.Keywords: TC18 titanium alloy; bending fatigue; fatigue life; substrate; roughnessII目 录1 绪论 .11.1 相关背景及研究意义 .11.2 国内外的研究现状 .11.3 钛的各种性能 .21.4 钛合金的具体介绍 .41.4.1 钛合金的分类和牌号 .41.4.2 钛合金的性能 .51.4.3 钛合金的典型显微组织 .61.5 钛合金的应用 .71.5.1 钛合金研究的新进展 .71.5.2 钛合金应用存在问题 .91.6 常见的断裂模式及微观断裂机理 .91.6.1 脆性断裂与韧性断裂 .91.6.2 穿晶断裂与沿晶断裂 .91.6.3 韧窝、解理、准解理断裂 .101.7 疲劳试验 .101.7.1 金属材料的疲劳性能 .101.7.2 弯曲疲劳 .111.8 表面涂层技术 .111.9 主要研究内容 .122 实验材料及实验方法 .132.1 实验材料及其化学成分 .132.2 试样制备 .132.3 实验设备 .142.4 实验过程 .142.4.1 室温疲劳性能测试 .142.4.2 金相组织观察 .152.4.3 用扫描电镜拍摄断口照片 .163 实验结果和分析 .173.1 疲劳曲线 .173.2 金相组织观察及分析 .203.2.1 表面涂层对表面粗糙度的影响 .20III3.3 疲劳试样断口形貌及分析 .213.3.1 疲劳源区断口形貌 .233.3.2 裂纹扩展第一阶段断口形貌 .243.3.3 裂纹扩展第二阶段断口形貌 .243.3.4 瞬断区断口形貌 .254 结论 .27参考文献 .281 绪论1.1 相关背景及研究意义钛是 20 世纪 50 年代发展起来的一种重要的结构金属，因具有质轻、高强、耐热、无磁等一系列优良性能，以及形状记忆、超导、储氢、生物相容性四大独特功能，被广泛应用在航空航天、舰船、军工、冶金、化学、海水淡化、轻工、环境保护、医疗器械等领域，并创造了巨大的经济和社会效益，在国民经济发展和国防中占重要的地位和作用。钛是金属王国中“全能的金属”、“海洋金属”、“太空的金属”，从工业价值、资源寿命和发展前景来看，钛是继铁、铝之后处于发展中的“第三金属”和“战略金属”。根据在钛中加入 稳定元素的多少及退火后的组织，钛合金可分为 、近 、+、近 和 合金。美、日、俄罗斯以及中国等许多国家都高度重视钛合金的发展，各国根据不同国情和需求进行了各自的研发，现在得到了广泛的应用 1。钛合金由于具有比强度高、耐温高、抗腐蚀能力强等优点，成为航空航天领域的重要结构材料，在化学工业、核工业、船舶等领域也得到了越来越广泛的应用。因而钛合金技术被列为国防科技关键技术及重点发展的基础技术。在航空方面钛合金是飞机结构和飞机发动机的主要结构材料之一。TC18 钛合金是一种 稳定系数 K为 1.2 的高强度近 +钛合金，该合金具有高强度、高塑性、淬透性好、可焊性好等优点，因而广泛应用于飞机的主要承力结构件和部件。该合金还具有用于制造 350400下长期工作的零件。TC18 可以在淬火和退火状态下使用，但通常在退火状态下。在应用中如果承受交变载荷，会产生疲劳损伤。对于材料疲劳性能的研究非常有限，所以对其研究具有重要意义。1.2 国内外的研究现状TC18 钛合金是 20 世纪 60 年代末前苏联开发的一种高强钛合金，牌号为BT22，名义成分为 Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe。该合金过渡性 +合金，兼有+钛合金和 钛合金和 钛合金的性能特性，具有变形塑性好、淬透性较高等优点，得到了广泛的应用。BT22 钛合金退火强度在 1080MPa 以上，是退火状态下强度最高的钛合金，该合金退火状态下的组织中具有数量大致相等的 相和 相。该合金退火后具有良好的焊接性能，可以采用多种焊接方式进行焊接，其最高工作温度为 4002。1TC18 钛合金因具有高强度、高塑性、淬透性好和可焊接等优点，广泛用于制造飞机结构零件。用 TC18 钛合金来替代 TC4 或高强钢，可使飞机减重1520，且可通过热处理来获得高强度、高塑性与断裂韧性的合理匹配 3，所以 TC18 钛合金是一种理想的航空结构材料，特别适用于制造大型锻件。TC18 钛合金在航空工业备受青睐并已引起了国内外的关注和研究，但目前为止对其表面强化方面的研究和报导甚少 4。针对前苏联 BT22 钛合金仅局限应用在俄罗斯航空结构上，美国研究开发的一种新型近 钛合金 TIMETAL555 钛合金（又称 Ti-5553）名义成分 Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr，是美国 Boeing 公司和俄罗斯 VSMPO 公司共同开发的 BT22 的改型合金。该合金具有高强、高韧及优异的高周疲劳性能和深的淬透性，主要应用于飞机襟翼导轨、挂架及起落架部件 5。我国宝钛、宝钢、北京航空材料研究院等单位先后对 BT22 钛合金（国内牌号 TC18）进行过不同锭型的研究。通过 J-11B 型飞机材料的国产化，已成功研制出 BT22 合金 170mm以下的棒材和中小型锻件，用于制造 J-11B 飞机起落架上下防扭力臂和半轮叉等零件 6。近年来我国在仿制某型航空发动机过程中又仿制了俄罗斯的 BT25(国内命名牌号为 TC25)，BT25 是前苏联 1971 年研制的马氏体型的 +两相热强钛合金，合金里添加了高熔点的 Mo、W 大大提高了合金的热强性和耐热性，也提高了合金的工作寿命，BT25 合金在常温高温下均具有优异的力学性能，其使用温度可达 550，合金名义成分 Ti- 6.5Al-2Mo-1Zr-1Sn-1W-0.2Si。BT25 合金可在适当的热变形条件热处理制度下(950970 ，1 h，空冷+530 570 ，6 h，空冷) 可获得较为理想的综合性能 7。另外，我国在研究 TC18 钛合金的各项性能上也比较看重，例如，对 TC18钛合金冲击缺口敏感性的研究 8，TC18 钛合金的组织和性能与热处理制度的关系的研究 9， TC18 钛合金接触腐蚀与防护的研究 10等。1.3 钛的各种性能(1)钛的物理性能纯钛具有银灰色光泽，它具有许多优良性能。密度为 4.54g/cm3，相当于钢的 57%，属于轻金属，比久负盛名的轻金属镁稍重一些。机械强度却与钢相差不多，比铝大两倍，比镁大五倍。钛耐高温，常压下钛的熔点为 1942K，比黄金高近 1000K，比钢高近 500K。沸点为 3260，属难熔金属。其具有两种同素异晶体，同素异晶转变温度为 882.5，低于此温度为密排六方结构（ 相） ，高于此温度为体心立方结构（ 相） 。相对于其它合金，钛的导热率较低，只有2铁的 1/4，铜的 1/7。钛没有磁性，并且在很强的磁场作用下也不会被磁化，所以可用其制造人造骨和人造关节植入人体，并且不受天气等变化的影响。钛的基本物理性能数据列于表 1.111。表 1.1 钛的基本物理性能数据名 称 数 值原子半径/nm 0.145 相变潜热/（kJ/mol） 3.47熔化热/（kJ/mol） 18.8热导率/W/(mK) 22.08线膨胀系数/K -1 7.3510-6电阻率/m 4.210-8超导转变温度/K -1 100)。有良好的低温塑性，特别是间隙元素含量很低的 型合金适宜在低温下使用，如在火箭发动机或载人飞船上作超低温容器。钛的疲劳性能特点与钢类似，具有比较明显的物理疲劳极限，纯钛的反复弯曲疲劳极限为 0.60.8Rm，钛的疲劳性能对金属表面状态及应力集中系数比较敏感。钛的耐热性比铁和镍低。这与钛原子自扩散系数大和存在同素异晶转变有关。钛的耐磨性较差，通过渗氮、碳、硼可提高其耐磨性。1.4 钛合金的具体介绍1.4.1 钛合金的分类和牌号钛是同素异构体，熔点为 1720，在低于 882时呈密排六方晶格结构，称为 钛；在 882以上呈体心立方品格结构，称为 钛。利用钛的上述两种结构的不同特点，添加适当的合金元素，使其相变温度及相分含量逐渐改变而得到不同组织的钛合金（itanium alloys）。室温下，钛合金有三种基体组织，钛合金也就分为以下三类： 合金，(+)合金和 合金。 钛合金代号为TA， 钛合金代号为 TB，+ 钛合金代号为 TC。常用钛合金的代号、成分、力学性能及其应用见表 1.213 钛合金：它是 相固溶体组成的单相合金，不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下，均是 相，组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强。在 500600 的温度下，仍保持其强度和抗蠕变性能，但不能进行热处理强化，室温强度不高。 钛合金又分全 、近 和 +化合物合金。以铝、锡、锆为主要合金元素，在近 型钛合金中还添加少量 稳定化元素，如钼、钒、钽、铌、钨、铜、硅等。 钛合金：它是 相固溶体组成的单相合金，未热处理即具有较高的强度，淬火、时效后合金得到进一步强化，室温强度可达 13721666 MPa；但热稳定性较差，不宜在高温下使用。 钛合金又分热力学稳定型 合金、亚稳定 型合金和近 型合金 。+ 钛合金 ：它是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高 50100；高温强度高，可在 400 500的温度下长期工作，其热稳定性次于 钛合金 13。三种钛合金中最常用的是 钛合金和 +钛合金； 钛合金的切削加工性最好，+ 钛合金次之， 钛合金最差。4表 1.2 常用钛合金的代号、成分、力学性能室温力学性能 高温力学性能组别代号化学成分热处理 Rm/MPa A/%试验温度/Rm/MPaA/%TA1 Ti 退火 300-500 30-40TA2 Ti 退火 450-600 25-30工业纯钛 TA3 Ti 退火 550-700 20-25TA4 Ti-3Al 退火 700 12TA5 Ti-4-0.005B 退火 700 15钛合金 TA6 Ti-5Al 退火 700 12-20 350 430 400淬火 1100 16TB1Ti-3Al-8Mo-11Cr 淬火+时效1300 5淬火 1000 20钛合金 TB2Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al淬火+时效1350 8TC1Ti-2Al-1.5Mn退火 600-800 20-25 350 350 350TC2Ti-3Al-1.5Mn退火 700 12-15 350 430 400TC3 Ti-5Al-4V 退火 900 8-10 500 450 200退火 950 10+钛合金TC4 Ti-6AL-4V 淬火+时效1200 8400 630 5801.4.2 钛合金的性能钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过 0.1，但其强度低、塑性高。99.5工业纯钛的性能为：密度 =4.5g/cm3，熔点为 1800，导热系数 =15.24W/(m.K)，抗拉强度b=539MPa，伸长率 =25，断面收缩率 =25，弹性模量E=1.078105MPa，硬度 HB195。 因此，钛合金具有比强度高、热强度高、抗蚀性好、低温性能好、5化学活性大、导热系数小、弹性模量小等性能特点。1.4.3 钛合金的典型显微组织钛合金相变十分复杂且热加工过程多种多样，导致其组织类型比较多。一般可分为魏氏组织、网篮组织、等轴组织、三态组织和双态组织 14.15.16，如图1.4 所示。 (a)等轴组织 （b）双态组织（c）网篮组织 （d）魏氏组织 （e）三态组织图 1.1 钛合金的典型显微组织6以下为各种组织的具体分析 17：（1）等轴组织：其特点是在转变 基体上均匀分布着含量超过 50%的初生等轴 相。等轴 相颗粒的尺寸和形状与变形方式和变形程度有关，可能是球形的，又可能是椭圆、橄榄形、棒锤形、长条形。当合金在低于相变点 3050下加热和变形时形成这种显微组织。（2）双态组织：等轴 相体积分数小于 40%，转变 中的 平直呈束。当合金在 +相区的上部加热和变形时形成这种组织。（3）网篮组织：其特点是等轴 约为零，原始 晶粒边界不同程度地被破碎，晶界 已经不明显，晶内片状 变短变粗，在原始 晶粒的轮廓内呈网篮状编织的片状结构。合金在 相区加热或开始变形，在 +相区的变形量不够大时形成这种显微组织。（4）魏氏组织：其特点是原始 晶粒边界清晰完整，晶界 非常明显，晶内 相呈粗片状规则排列。当合金的加热和变形都在 相区进行时形成这种显微组织，也称为过热组织。（5）三态组织：由 1020%的等轴 ，6070%的条状 和 转变组织组成，且组织混乱交织。通过近 锻造可得到此种组织 18。1.5 钛合金的应用1.5.1 钛合金研究的新进展近年来，各国正在开发低成本和高性能的新型钛合金，努力使钛合金进入具有巨大市场潜力的民用工业领域。国内外钛合金材料的研究新进展主要体现在以下几方面 19：（1）高温钛合金世界上第一个研制成功的高温钛合金是 Ti-6Al-4V，使用温度为 300350。随后相继研制出使用温度达 400的 IMI550、BT3-1 等合金，以及使用温度为450500的 IMI679、IMI685、Ti-6246、Ti-6242 等合金。目前已成功地应用在军用和民用飞机发动机中的新型高温钛合金有英国的 IMI829、IMI834 合金；美国的 Ti-1100 合金；俄罗斯的 BT18Y、BT36 合金等。近几年国外把采用快速凝固/粉末冶金技术、纤维或颗粒增强复合材料研制钛合金作为高温钛合金的发展方向，使钛合金的使用温度可提高到 650以上。美国麦道公司采用快速凝固/粉末冶金技术戚功地研制出一种高纯度、高致密性钛合金，在 760下其强度相当于目前室温下使用的钛合金强度 20。（2）钛铝化合物为基的钛合金与一般钛合金相比，钛铝化合物为基钠 Ti3Al(2)和 TiAl()金属间化合物的7最大优点是高温性能好(最高使用温度分别为 816和 982)、抗氧化能力强、抗蠕变性能好和重量轻(密度仅为镍基高温合金的 1/2)，这些优点使其成为未来航空发动机及飞机结构件最具竞争力的材料。目前，已有两个 Ti3Al 为基的钛合金 Ti-21Nb-14Al 和 Ti-24Al-14Nb-3V-0.5Mo 在美国开始批量生产。前者已用作高压压气机机闸、高压涡轮支撑环、导弹尾翼和燃烧室喷管密封片等，后者通过形变热处理可获得良好的强度和塑性。（3）高强高韧 型钛合金型钛合金最早是 20 世纪 50 年代中期由美国 Crucible 公司研制出的B120VCA 合金 (Ti-13v-11Cr-3Al)。 型钛合金具有良好的冷热加工性能，易锻造，可轧制、焊接，可通过固溶-时效处理获得较高的机械性能、良好的环境抗力及强度与断裂韧性的很好配合。新型高强高韧 型钛合金最具代表性的有以下几种：Ti1023(Ti-10v-2Fe-Al) ，该合金与飞机结构件中常用的 30CrMnSiA 高强度结构钢性能相当，具有优异的锻造性能，目前已在波音757，737，A300，A320，F14，F18 上得到应用 21； Ti153(Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn)，该合金冷加工性能比工业纯钛还好，时效后的室温抗拉强度可达1000MPa 以上，目前已用于飞机短舱、紧固件、液压管、弹簧、直升机旋翼等 ；21S(Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si)，该合金是由美国钛金属公司 Timet 分部研制的一种新型抗氧化、超高强钛合金，具有良好的抗氧化性能，冷热加工性能优良，可制成厚度为 0.064mm 的箔材。 (4) 阻燃钛合金常规钛合金在特定的条件下有燃烷的倾向，这在很大程度上限制了其应用。针对这种情况，各国都展开了对阻燃钛合金的研究并取得一定突破。羌国研制出的 Alloy c(也称为 Ti-1720)，名义成分为 50Ti-35v-15Cr(质量分数)，是一种对持续燃烧不敏感的阻燃钛合金，己用于 F119 发动机 。BTT-1 和 BTT-3 为俄罗斯研制的阻燃钛合金，均为 Ti-Cu-Al 系合金，具有相当好的热变形工艺性能，可用其制成复杂的零件。(5) 医用钛合金钛无毒、质轻、强度高且具有优良的生物相容性，是非常理想的医用金属材料，可用作植入人体的植入物等。目前，在医学领域中广泛使用的仍是 Ti-6Al-4v（ELI）合金。美国早在 20 世纪 80 年代中期便开始研制无铝、无钒、具有生物相容性的钛合金，将其用于矫形术。日本、英国等也在该方面做了大量的研究工作，并取得一些新的进展。例如，日本已开发出一系列具有优良生物相容性的 +钛合金，这些合金的腐蚀强度、疲劳强度和抗腐蚀性能均优于 Ti-6Al-4V ELI。与 +钛合金相比， 钛合金具有更高的强度水乎，以及更好的8切口性能和韧性，更适于作为植入物植入人体。在美国，已有 5 种 钛合金被推荐至医学领域，即 TMZFTM(TI-12Mo-6Zr-2Fe)、Ti-13Nb-13Zr 、Timetal 21SRx(TI-15Mo-2.5Nb-0.2Si)、Tiadyne 1610(Ti-16Nb-9.5Hf)和 Ti-15Mo22。1.5.2 钛合金应用存在问题钛合金工艺性能差，切削加工困难，生产工艺复杂，耐磨擦性能差的特点，在一定程度上成为限制钛合金应用范围的主要问题。为了进一步达到提高钛合金表面硬度，提高耐磨性、抗微动磨损性等目的，针对钛合金耐磨擦性能差的特点，在不破坏钛合金比强度高、耐蚀性好等一系列优良性能的前提下，对钛合金进行表面处理是进一步扩大钛合金使用范围非常有效。1.6 常见的断裂模式及微观断裂机理1.6.1 脆性断裂与韧性断裂从宏观现象上看，断裂可分为脆性断裂和韧性断裂。脆性断裂表现为以材料表面、内部的缺陷或微裂纹为源，在较低的应力水平下，在无塑性变形或只有微小塑性变形的情况下裂纹急速扩展。在多晶体材料中，断裂是沿着各个晶体及解理面产生的，但由于材料中各个晶体及解理面的方向是变化的，因而断裂表面在外观上是呈现粒状。脆性断裂有时主要沿晶界产生，因而称为沿晶断裂。脆性断口较平齐，与正应力相垂直。断口上有人字纹或放射花纹。由于脆性断裂前很难发现预兆，断裂时又容易产生很多碎片，因此是一种非常危险的突发事故，危害较大。韧性断裂是在较大的塑性变形之后发生的断裂。它是由于裂纹的缓慢扩展而造成的，而这种裂纹扩展又起源于空穴的形成和合并。韧性断裂的表面外观特征为无光泽的纤维状。大多数多晶体金属的拉伸试验的延性断裂有三个明显的阶段。首先，试样开始出现局部“颈缩” ，并在“颈缩”区域产生小的分散的空穴，接着这些小空穴不断增加和扩大并聚合成微裂纹，裂纹方向一般垂直于拉应力方向。最后，裂纹沿剪切面扩展到试样表面，剪切面方向与拉伸轴线近似成 45。因为延性断裂在断裂前出现大量的塑性变形，有明显的失效预兆，它对构件和环境造成的危害性远小于脆性断裂 23。1.6.2 穿晶断裂与沿晶断裂多晶金属的断裂若是以裂纹穿过晶粒内部的途径发生的，称为穿晶断裂，穿晶断裂可能是韧性的，也可能是脆性的。若断裂是穿过晶体沿解理面断开，但并无明显的塑性变形时为脆性断裂；若穿晶断裂时出现明显的塑性变形则为延性断裂。若断裂时以裂纹沿晶界扩展的方式发生的称为沿晶断裂，沿晶断裂9多数属脆性断裂，但也有延性的。1.6.3 韧窝、解理、准解理断裂韧窝断口的宏观形貌特征是具有纤维状和剪切唇等标记。其微观形貌特征是一些大小不等的圆形或椭圆形的凹坑韧窝。解理断裂指晶体材料因受拉应力作用沿着某些严格的结晶学平面发生分离的过程，结晶学平面称为解理面。解理断裂通常是在没有觉察到的塑性变形的情况下发生的，属于脆性断裂。解理断口宏观形貌特征是结晶小刻面、 “放射状”或“人字形”花样。在实际使用的金属材料中晶体取向是无序的，解理裂缝沿不同取向解理面扩展过程中裂缝会相交成具有不同特征的花样，其中最突出最常见的特征是河流花样，另外还有舌状花样、扇形花样、瓦纳线及二次裂纹等。断裂沿一定的结晶面扩展，断口上有河流花样，但又具有较大塑性变形产生的撕裂棱。塑性变形量大于解理断裂小于延性断裂。准解理断裂属于脆性穿晶断裂，宏观断口形貌比较平整，基本上无宏观塑性变形或有极少的宏观塑性变形。断口大多数呈结晶状，小刻面亮但不发光。其微观形貌不同于解理断口也有别于延性韧窝断口 24。1.7 疲劳试验1.7.1 金属材料的疲劳性能疲劳寿命曲线(S-N 曲线)可分为三个区，如图 1.2 所示10图 1.2 疲劳寿命曲线低循环疲劳区内，在很高的应力下，在很少的循环次数后，试件即发生断裂，并且有较明显的塑性变形。一般认为，低循环疲劳发生在循环应力超出弹性极限，疲劳寿命 N=104 或 105 次之间。因此，低循环疲劳又可称为短寿命疲劳。高循环疲劳区内，在高循环疲劳区，循环应力低于弹性极限，疲劳寿命长，N105 次，且随循环应力降低而大大地延长。试件在最终断裂前，整体上无可测的塑性，因而在宏观上表现为脆性断裂。在此区内，试件的疲劳寿命长，故可将高循环疲劳称为长寿命疲劳。无论在低循环疲劳区或高循环疲劳区，试件的疲劳寿命总是有限的，故可将上面的两个区合称为有限寿命区 25,26 。在无限寿命区或安全区内，试件在低于某一临界应力幅 ac 的应力下，可以经受无数次应力循环而不发生断裂，疲劳寿命趋于无限：即 aac，N f ，故可将 ac 称为材料的理论疲劳极限或耐久限，在大多数情况下， S-N 曲线存在一条水平渐近线，高度即为 ac。1.7.2 弯曲疲劳(1) 单向弯曲疲劳断裂像吊车悬臂之类的零件，在工作时承受单向弯曲负荷。承受脉动的单向弯曲应力的零件，其疲劳核心一般发生在受拉侧的表面上。疲劳核心一般为一个。载荷的大小、材料的性能及环境条件等对断口中疲劳区与瞬时断裂区的相对大小皆有影响。(2) 双向弯曲疲劳断裂某些齿轮的齿根承受双向弯曲应力的作用。零件在双向弯曲应力作用下产生的疲劳断裂，其疲劳源区可能在零件的两侧表面，最后断裂区在截面的内部。材料的性质、负荷大小、结构特征及环境因素等都对断口的形貌有影响，其趋势与单向弯曲疲劳断裂相同。(3) 旋转弯曲疲劳断裂许多轴类零件的断裂多属于旋转弯曲疲劳断裂。旋转弯曲疲劳断裂时，疲劳源区一般出现在表面，但无固定点。当轴的表面存在较大的应力集中时，可11出现多个疲劳源。1.8 表面涂层技术随着科技的发展，人们越来越对工艺的进步有所新的成就，对材料的进一步强化已成了世界上比较重要的研究课题，从性能上，抗氧化，抗疲劳等人们都有了很大的成就。材料的表面改性是材料学研究中的一个重要课题，它对提高材料的使用性能，扩大材料的使用范围，实现材料功能复合等方面具有重要意义。表面涂层技术作为材料表面改性的重要手段能够制备各种特殊功能的涂层，用少量的材料可起到大量、昂贵的整体材料所难以起到的作用，同时又极大地降低了产品的加工成本。利用表面涂层技术赋予材料表面耐磨、耐蚀、耐热、耐疲劳、耐辐射以及光、热、电、磁等特殊功能，从而达到提高产品质量、延长使用寿命、节约能源的目的。表面涂层技术是获得显著技术经济效益的一种新的表面强化技术，是表面工程科学的重要组成部分 27。1.9 主要研究内容（1）对试样进行不同的表面处理，一种是有喷涂的试样，一种是没有喷涂的试样，并研究表面处理对疲劳性能的影响；（2）对两种状态下的试样进行旋转弯曲疲劳试验，测试不同应力下的疲劳寿命；（3）数据处理，绘制 S-N 曲线；（4）分析表面处理对疲劳寿命的影响；（5）断口分析，分析断裂机理。2 实验材料及实验方法2.1 实验材料及其化学成分（1）本实验所选用的试验材料为 TC18 钛合金，其化学成分如见表 2.1：表 2.1 TC18 钛合金的化学成分（wt）元素Al Mo V Cr Fe Zr Si Ti含量4.45.7 4.05.5 4.05.5 0.51.5 0.51.5 0.30 0.15 其他（2）选用的涂层材料为碳化钨（WC）碳化钨是一种由钨和碳组成的化合物，化学式为 WC，英文为 Tungsten Carbide，也常被简称为 Carbide（实际上 carbide 是碳化物的统称） 。碳化钨的硬度极高，摩氏硬度为 8.59，且熔点达到 2870C，电阻亦低，常被用做切削刀具材料（可切削不锈钢） 、制造高硬度装甲或穿甲弹弹芯，以及一些需要高硬度的运动器材零件，以及圆珠笔的笔尖圆珠等。表 2.2 碳化钨（WC）的物理性质名 称 数值熔 点 2870C沸 点 6000C密 度 15,63 g/cm理论密度 15.55g/cm分子量 195.85显微硬度 17800MPa弹性模量 71.0GPa抗压强度 56MP热膨胀系数 3.8410-6/电阻率 19.210-6cm2.2 试样制备试样的试验部分设计成圆柱形，夹持部分设计成圆柱形，试验部分圆柱形13半径取 d=6mm，过渡圆弧半径取 d=18mm。按图 2.1 进行加工，加工后的试样进行喷丸处理，以提高疲劳性能。图 2.1 疲劳样品尺寸/ mm2.3 实验设备PQ1-6 疲劳试验机、PG-2D 型抛光机、尼康 EPIPHOT3U 金相显微镜、quanta400FEG 扫描电子显微镜（SEM） 、Ka-100D 超声波清洗机2.4 实验过程2.4.1 室温疲劳性能测试疲劳是材料在变应力的作用下，经过一段时间，而发生断裂的现象。疲劳断裂是主要的失效形式，危害极大。本实验主要是，先根据已有数据和公式计算加载应力，而后将试样放在PQ1-6 型旋转弯曲疲劳试验机上，求得疲劳数据。图 2.2 旋转弯曲疲劳试验机14其中一组试样有涂层，然后将两组试样分别放在旋转弯曲疲劳试验机上进行试验，取应力比 R=0.1（ R=min/max），分别施加不同的应力。两组试样分别取不同的 3 级应力水平，每级应力各取 5 根试样，做旋转弯曲试验求寿命平均值。3 级应力分别为1=385MPa、 2=495MPa、 3=660MPa、 4=413MPa、 5=531MPa、6=708MPa 试样断裂或记下寿命 N，疲劳极限取 N=107 周次。 旋转弯曲疲劳加载计算公式： KPdIMddIPM得 ：令弯 曲 正 应 力 为 ： 最 大， 得 最 小 直 径 截 面 上 的， 代 入和由 a16a162423min3min minaxinK 称为加载乘数，它可根据试验机的尺寸 a 和试样的直径 dmin 事先算出，在试样的应力 确定后，便可计算出应施加的载荷 P。载荷中包括套筒砝码盘和加力架的重量 G，所以，应加砝码的重量实为：Q=P-G=K-G试验步骤：（1）测量试样最小直径 dmin；（2）计算或查出 K 值；（3）根据确定的应力水平 ，由上式计算应加砝码的重量 Q；（4）将试样安装于套筒上，拧紧两根连接螺杆，使与试样成为一个整体；（5）连接挠性连轴节；（6）加上砝码；（7）开机前托起砝码，在运转平稳后，迅速无冲击地加上砝码，并将计数器调零；（8）试样断裂或记下寿命 N，取下试样描绘疲劳破坏断口的特征。2.4.2 金相组织观察（1）先用小钢锯对试样进行切割，从原始试样取大约 10mm 长的试样，用牙托粉将其镶嵌好，便于抛光及防止对涂层的损坏。（2）粗磨，细磨试样：先选用 240#的砂纸进行粗磨，待试样平整后再选用不同粒度的金相砂纸（400、600、800、1000、1200、1500、2000） ，由粗到细进行磨制。(注意在细磨时应该注意用力均匀，试样应从后向前磨制，不可来回摩擦。待用 2000# 砂纸打磨后，若试样表面平滑且磨痕方向一致，将试样清洗干净，准备进行抛光。15（3）在抛光机上进行抛光，目的是去除试样磨面上经细磨留下的细微划痕，使试样磨面成为光亮无痕的镜面。抛光时，选用的抛光剂为金刚石研磨膏。抛光时应每隔一段时间向抛光机中加入研磨膏。最后，当试样表面无划痕，抛光完成。（4）腐蚀：将抛光好的试样清洗，用无水乙醇清洗表面，随后用 6%的 HF水溶液腐蚀剂腐蚀 45s。腐蚀完毕后立即取出，用无水乙醇再次清洗，再用吹风机吹干试样，以防止表面受到污染。 将腐蚀好的试样放在金相显微镜的载物台上，使得光源打在试样上，以保证试样的视场出现在显示屏幕上，并观察实时动态，先对试样的整体形貌进行观察，选择最好视场，最后在 20的放大倍数下拍摄试样边缘处和中心位置。本实验采用的显微镜是尼康 EPIPHOT3U，放大倍数有 50 倍、100 倍、200 倍、500 倍、1000 倍。此显微镜放大倍率较高，成像质量较好。由于试验需要，试样与牙托粉交界处需特别平滑清楚明显，所以在金相试样磨制过程中需注意：1)在砂纸上打磨的时候不能太用力，要保证不产生过大的摩擦热以防止氧化来了，同时防止大的划痕；2)需要保护好试样及试样与牙托粉的连接处，以免影响观察涂层金相组织；3)在抛光机上抛光时，连续抛光的时间不宜过长；4)抛光时选用金刚石研磨膏进行抛光。2.4.3 用扫描电镜拍摄断口照片采用 quanta400FEG 扫描电镜（SEM）观察金相试样的断口组织形貌。扫描电镜观察时，保持断口试样主裂纹源在右侧，按疲劳源区、扩展区、瞬断区顺序观察，并拍摄相应区域的断口特征照片。3 实验结果和分析3 实验结果和分析3.1 疲劳曲线a 疲劳寿命平均值及加载应力计算步骤如下：已知试验机自重为 G=12kg（1）求疲劳寿命的平均值 4176.lg,7628.4lg,97.6lg3.l,0.l,8.4l 7682095164592)654211321 NNXXNN寿 命无 涂 层 的 试 样 平 均 疲 劳 寿 命有 涂 层 的 试 样 平 均 疲 劳 ）（ 得 ，（由 （2）
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