表面完整性对表面纳米化TC4疲劳性能的影响机理研究

The surface integrity of suface nanocrystallined TC4 will be characterized and evaluated by the first time in this project, and the mechanism of effect of the surface integrity on its fatigue property will be studied deeply.1) Surface nanocrystallined TC4 will be fabricated by USSP,and the proper evaluation parameters and characterization method will be built up.2) The effect of USSP parameters on the surface integrity will be studied by varying USSP parameters,and how it effects will be analysed.3) The bending fatigue property of suface nanocrystallined TC4 with different surface integrities will be tested,and the the effect of the surface integrity on fatigue limit,the initiation and propogation of fatigue crack will be studied.4) The simulation of this effect will also be investigated. 5) The mechanism of effect of surface integrity on its fatigue property will be studied deeply by combining the experiment with the simulation, and the theory basis will be provied for the design by which the fatigue property will be improved through optimizing the surface integrity.This study will help better understand the fatigue mechanism of suface nanocrystallined metals,and contribute to a more fully reveal of the deformation behavior and mechanism of the suface nanocrystallined metals,and also promote the development,design and application of the suface nanocrystallined metals.

本项目首次开展对表面纳米化TC4表面完整性的表征与评价，并针对表面完整性对疲劳性能的影响机理这一科学问题深入开展研究。首先，采用超声喷丸技术（USSP）制备表面纳米化TC4，建立合理的表征表面纳米化金属材料表面完整性的评价参数和表征方法。其次，改变USSP工艺，对USSP工艺参数对表面完整性的影响进行分析，并研究其影响趋势和规律。再次，测试具有不同表面完整性的表面纳米化TC4的弯曲疲劳性能，探讨表面完整性对疲劳极限、疲劳裂纹萌生与扩展行为的影响规律。然后，对表面完整性对表面纳米化TC4疲劳性能的影响进行数值模拟。最后，将实验研究和数值模拟相结合，深入探究表面完整性对疲劳性能的影响机理，为通过优化表面完整性提高材料抗疲劳性提供理论基础。本研究有利于深化对表面纳米化金属材料疲劳机理的认识、全面揭示表面纳米化金属材料的变形行为和变形机理，对推动表面纳米化金属材料的开发、设计、应用具有重要意义。

钛合金尤其是TC4以其优异的性能而广泛应用在航空航天等重要领域，但是钛合金构件经常因受到交变载荷而发生疲劳破坏。由于材料疲劳失效多源于表面，因此采用表面剧烈塑性变形方法在表层形成梯度纳米结构，利用该结构阻止裂纹萌生与扩展，有望改善材料的疲劳性能。科学描述表面纳米化金属的表层状态（即表面完整性）及其对疲劳性能的影响规律，是进一步优化疲劳性能的前提。然而关于表面纳米化金属表面完整性的评价与表征尚未见报道，关于表面完整性对表面纳米化钛合金疲劳性能的影响研究还不够深入。因此，本项目以表面纳米化TC4为研究对象，围绕其表面完整性的表征与评价及其对疲劳性能的影响开展研究。.首先对TC4进行15min、30min、45min和60min的超声喷丸处理（USSP），并对表面完整性各参量进行系统表征。研究表明，经过45min处理，可获得厚度大约为20μm、平均晶粒尺寸约为21.2nm的纳米晶粒层，以及厚度大约为150μm的变形层。随处理时间增加，试样表层硬度随之提高、残余压应力场也进一步增强。试样的粗糙度在经过15min处理后显著增大、而随后则降低，接近原始状态。.关于疲劳性能的研究表明，表面纳米化处理后疲劳极限得到提高，其中经30min处理提高可达到10.64%。研究中发现疲劳裂纹主要萌生于表面。USSP处理试样相比于原始试样，裂纹的扩展由河流状变为波浪状，使裂纹在经过更多周次的循环加载后才开始快速扩展。.对USSP处理30min的试样在450℃下保温120min，表层晶粒尺寸仍然保持在纳米级别，而硬度约降低11%，同时大约一半的残余应力得到释放，其疲劳极限相比于原始试样显著降低。.关于粗糙度的研究表明，经过机械抛光表面纳米化TC4相比于未经抛光的表面纳米化试样疲劳极限得到明显提高，同时裂纹源萌生转移至次表层。.针对疲劳载荷下残余应力与微观结构演化的研究表明，当外加载荷高于疲劳极限时残余应力快速释放；当外加载荷接近或小于疲劳极限时，循环周次与载荷值不再明显改变残余应力的大小，应力释放达到稳定值。研究还发现随着残余应力的释放位错密度随之降低。