Page 77 - 理化检验-物理分册2022年第四期

黄雄荣, 等: 钛合金杆端体断裂原因

26mm , 宽 为 10.6mm ; 试 验 温 度 为 室 温 ( 23±

5 ) ℃ ; 试验载荷为( 2500±9600 ) N ; 载荷变化频率

为 4Hz , 水平方向反复加载。

图 5 轴承宏观形貌
图 2 杆端体疲劳试验方法示意
的 1 / 5 。在断口右侧内孔位置, 可见由杆端内孔表
面起始的平坦台阶。左、 右两侧断面起始方向均与
内腔表面的损伤区域相关。

图 3 钛合金杆端体疲劳断裂部位宏观形貌
笔者将钛合金应用于杆端体上, 在相同的试验
条件下, 发现该杆端体断裂速度比不锈钢杆端体更
快, 为提升其疲劳寿命, 需要对钛合金杆端体的失效
原因进行分析。
1 理化检验
图 6 断口的宏观形貌
1.1 宏观分析 1.2 化学成分分析
由图 3 可知, 断裂发生在杆端体耳环靠近螺杆
失效杆端体材料的成分按标准 ASTM E1409-
区, 杆端体头部断裂后, 沿螺杆轴线方向端 体被拉
13 《 惰性气体熔融法测定钛和钛合金中氧、 氮含量
直, 拉直段有裂纹, 且开口较大。
标准测定方法》, ASTM E1447-09 ( 2016 )《 钛和钛
杆端体内孔和轴承宏观形貌分别如图 4 , 5 所
合 金 氢 含 量 标 准 测 定 方 法 》, ASTM E 1941-10
示, 在杆端体内孔表面断裂区的两侧近端面各有一
( 2016 )《 高熔点和活性金属及其合金中碳含量测定
条褐色损伤带; 同时, 在轴承外圈与杆端体内孔接触
的标准测定方法》, ASTM E2371-13 《 等离子体原
表面的近端面位置, 同样有两条褐色损伤带。
子发射光谱法测定钛和钛合金的标准测定方法》 进
行测定分析, 结果如表 1 所示。由表 1 可知, 失效杆

端体材料成分符合标准 GJB2218A — 2008 《 航空用

钛及钛合金棒料和锻坯规范》 的要求。
表 1 失效杆端件化学成分分析结果( 质量分数) %

项目 Al V Fe C N H O
实测值 6.00 4.26 0.16 0.01 0.01 0.001 0.10
5.5~ 3.5~ ≤ ≤ ≤ ≤ <
标准值
图 4 杆端体内孔宏观形貌 6.5 4.5 0.25 0.08 0.03 0.0120 0.30
断口的宏观形貌如图 6 所示, 断面大部分平坦
且呈银灰色。整个断口有左、 右两处起始点。主断 1.3 扫描电镜分析
裂起始于杆端体内孔左侧近端面位置, 向右上角逐 采用扫描电镜对失效件断口的起始区、 扩展区、
步扩展, 扩展区呈辐射状条纹; 断面扩展至右上角方 终断区进行分析。观察断面左侧起始区的微观形貌
向发生转折, 并朝上发展, 呈现粗糙的木纹状花样, [ 见图 7a )], 可见断面由转角起始, 有约 45° 方向的
以及撕裂终断形态。该终断区呈三角形分布, 与扩 台阶, 断面基本平坦, 无大颗粒夹杂。转角起始区对
展区相连, 边缘略有变形, 其面积约占整个断区面积 应的内孔表面有损伤, 该区域粗糙, 密集分布有平行
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