剪切带与径向织构在高强度Ti-3Al-2.5V管材疲劳失效中的作用

《Engineering Fracture Mechanics》：The role of shear bands and radial texture in the fatigue failure of high-strength Ti-3Al-2.5V tubes

　　## 摘要- 首次发现剪切带会促进高强度Ti-3Al-2.5V合金管（HSTT）的疲劳裂纹萌生。- 在HSTT疲劳裂纹扩展过程中，基面开裂对施密特因子的敏感性高于其他滑移系。- 解释了过大的径向织构降低HSTT轧制方向疲劳性能的原因。- 优化HSTT冷轧工艺时应同时考虑剪切带和织构的影响。---## 引言管材在输送物质和能量方面发挥着至关重要的作用，是广泛应用于航空器[1, 2]的基础部件。其中，液压系统管材承受的压力最高，可靠性要求最为严格[3, 4]。在机械振动和内部流体脉动的作用下，管材不可避免地会在轧制方向（RD）承受循环载荷，尤其是在弯曲和连接部位（图1）。长期承受循环载荷的薄弱区域容易发生疲劳失效，破坏管材的结构完整性并导致泄漏，从而威胁飞行安全。Ti-3Al-2.5V合金具有优异的特性，如高比强度、耐腐蚀性和良好的冷加工性能。经多道次冷轧成型的高强度Ti-3Al-2.5V合金管（HSTT）被广泛应用于航空器液压系统[5, 6]。作为低铝当量的近α钛合金，Ti-3Al-2.5V合金由超过95%具有六方密排（HCP）结构的α-Ti晶粒组成。α-Ti晶粒的c轴方向（<0001>）表现出更大的变形抗力。为减少管材径向减薄并提高其抗截面变形能力，通常调整冷轧工艺以生产具有径向织构特征的HSTT[7, 8]，使大多数晶粒的c轴朝向径向，即法向方向（ND）。此外，由于冷轧变形量大，HSTT内部容易形成剪切带。剪切带由大量细小晶粒组成，虽然提供了晶界强化效果，但也引入了微观组织的不均匀性。材料的疲劳失效与其微观组织特征密切相关[9, 10]。剪切带和径向织构必然会影响HSTT的疲劳性能。关于剪切带对疲劳影响的研究主要集中在金属玻璃[11, 12]方面，钛合金方面的报道很少。相比之下，钛合金晶体织构对疲劳的影响受到了广泛关注[13, 14]。早期的研究中，Spurr等人[15]对弯曲后的HSTT进行了疲劳试验，发现具有切向织构的管材疲劳性能较差，将其归因于弯曲过程中严重的壁厚减薄导致的应力集中。Meredith等人[16]对不同径向织构程度的弯曲HSTT进行了疲劳性能测试，观察到随着径向织构增强，管材弯曲过程中的壁厚减薄逐渐减小，疲劳性能先改善后下降。他们得出结论：过大的径向织构会降低疲劳性能。在这些研究中，弯曲管材主要承受轧制方向的疲劳载荷，为织构对HSTT疲劳性能的影响提供了初步认识。然而，织构在疲劳失效中的内在机制仍有待进一步阐明。近年来，随着表征技术的进步，研究人员从微观尺度分析了织构在钛合金疲劳中的作用。Yazar等人[17]对轧制纯钛板在RD和横向（TD）方向进行了驻留疲劳研究，发现RD方向试样表现出更活跃的柱面滑移、更高的应变硬化、更低的应变率敏感性和更好的疲劳性能。Liu等人[18]对锻制近α钛合金（TIMETAL?834）进行了弯曲疲劳实验，发现活跃的基面滑移显著促进疲劳裂纹萌生。Habib等人[19]对比了锻制和轧制Ti-6Al-4V合金的疲劳性能，指出锻制合金的基面滑移系平均施密特因子更高且基面取向相似，导致裂纹倾向于沿基面更快扩展。Jia等人[20]对强织构Ti60合金板在RD、TD和45°方向进行了驻留疲劳测试，发现RD方向载荷导致柱面开裂，TD方向载荷导致基面开裂，疲劳性能排序为RD > TD > 45°方向。Ghosh等人[21]研究了织构对纯钛棘轮行为的影响，发现有利于柱面滑移的加载方向能获得更高的循环寿命。Zhou等人[22]研究了TA29合金晶体取向对驻留疲劳的影响机制，发现存在微裂纹萌生的晶粒基面施密特因子大于0.45。Meng等人[23]指出，有利于基面滑移的晶粒取向会增加α-Ti片层上的有效滑移长度，提高基面上的几何必需位错密度，降低裂纹扩展阻力，从而加速失效。综上所述，现有研究表明织构主要通过影响钛合金中基面和柱面滑移系的活性来影响疲劳裂纹的萌生和扩展，而抑制基面滑移可以增强疲劳性能。然而，在RD方向疲劳载荷下，径向织构抑制了HSTT大多数晶粒的基面滑移，但现有研究尚无法解释为何过大的径向织构对疲劳性能不利。钛合金中局部微观织构区域和细小晶粒群对疲劳的影响也引起了学者们的关注。Bantounas等人的研究[24]表明，c轴垂直于加载方向的微观织构区域可以减缓Ti-6Al-4V合金中疲劳裂纹的扩展。但更多研究[25, 26, 27]表明，钛合金中微观织构区域与基体之间存在显著的力学性能差异，导致界面处产生应力集中，从而促进疲劳裂纹的萌生。Sun等人[28]在研究纳米晶对TC17合金疲劳机制的影响时发现，纳米晶区域与大晶粒区域的界面是裂纹萌生和早期扩展的首选位置之一。Zhao[29]和Hirai[30]的实验也表明，钛合金基体与析出相之间的界面应力集中促进了疲劳裂纹的萌生。在HSTT中，剪切带与基体在微观组织形貌上存在显著差异，其界面在疲劳中的作用有待进一步研究。此外，基面扭转晶界（BTGB）被认为是钛合金疲劳的薄弱点[31, 32, 33]，它们作为裂纹成核位点加速失效，可能导致具有择优织构的钛合金表现出较差的疲劳性能。HSTT中的BTGB同样值得关注。本研究旨在阐明剪切带和径向织构在HSTT轧制方向疲劳失效中的作用。对HSTT进行了疲劳试验，并通过扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）技术表征了断裂边缘的断裂形貌和晶体取向。该分析旨在研究剪切带在裂纹萌生中的作用以及径向织构对裂纹扩展的影响，并讨论径向织构对BTGB开裂的抑制作用。此外，还提出了HSTT轧制工艺控制建议。---## 各节摘要### 实验材料实验材料为航空器液压系统用HSTT，尺寸为Φ18 × t1.5 mm，名义成分为Ti-3Al-2.5V（wt%）。该管材由等轴晶结构的热挤压管坯经多道次冷轧和去应力退火制成。为确定HSTT的微观组织特征，对RD-ND和RD-TD截面进行了EBSD表征，结果如图2所示。HSTT内部的大晶粒经历了显著的### 疲劳断裂形貌特征600 ～ 700 MPa应力水平下的疲劳断裂形貌如图5(a)～(e)所示，可分为疲劳裂纹萌生区、扩展区和最终断裂区。大多数试样在内壁角部发生裂纹萌生，少数在角部之间萌生，这与图4(b)所示的应力集中位置完全吻合。随着裂纹呈扇形向内扩展，试样的有效承载面积逐渐### 结论本文研究了剪切带和径向织构在HSTT轧制方向疲劳中的作用，并讨论了冷轧工艺对疲劳性能的影响。由于几何约束条件，弧形试样的疲劳寿命不应直接与标准试样进行对比。但由于弧形试样的疲劳加载方向与实际服役条件一致，所观察到的失效机制仍然成立。主要结论如下：(1)### CRediT作者贡献声明**王新豪：** 论文写作——审稿与编辑、论文写作——初稿撰写、方法论、形式分析、数据整理。**张昭：** 方法论、数据整理。**吴荣海：** 论文写作——审稿与编辑、方法论。**李衡：** 资源支持、方法论、调查研究、经费获取。### 利益冲突声明作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。### 致谢作者感谢**国家自然科学基金**（52375385、52535009）对本实验项目的支持。同时感谢西北工业大学分析测试中心提供的测试服务。---王新豪 | 张昭 | 吴荣海 | 李衡