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保载疲劳是指在应力控制疲劳条件下峰值应力处保持一段时间的疲劳形式。对保载疲劳敏感的材料,其疲劳寿命与相同温度、载荷和应力比条件下的常规疲劳相比会有不同程度的降低。保载疲劳在航空发动机盘类转动件工况条件下出现,是影响发动机寿命不可忽视的因素之一,40年来一受到国外航空发动机研究者的广泛关注。钛合金是航空发动机实现减重、提高推重比的关键材料,航空发动机用钛合金主要有近α及α+β两种类型。近年来的研究发现,α及α+β型钛合金均有不同程度的保载疲劳敏感性。Ti60合金是中国科学院金属研究所和宝钛集团联合研制的一种近α型高温钛合金,极限使用温度为600℃,主要用于航空发动机转子部件和航天高温结构件,研究Ti60合金的保载疲劳敏感性及其变形机制具有非常重要的研究价值和实际意义。 本文以Ti60合金锻件为研究对象,利用金相和激光共聚焦显微镜、扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)等分析检测技术,研究了Ti60合金的宏观保载疲劳现象、疲劳损伤过程及机制,并研究了Ti60合金中初生α相的体积分数和β转变组织形态对其保载疲劳行为的影响,结果发现,Ti60合金保载疲劳寿命明显低于常规三角波疲劳条件下的疲劳寿命,单位周次内循环累积变形也明显高于无保载条件;随着峰值应力的提高,保载敏感系数也增大;常规疲劳条件下裂纹源位于样品自由表面,而保载疲劳条件下裂纹源于样品内部,两种裂纹源处均存在平坦明亮的疲劳小平面,但保载疲劳条件下小平面密度更高;初生α相体积分数降低会减少保载疲劳寿命降低的幅度,保载疲劳敏感性有降低的趋势;β转变组织形态变化会导致材料拉伸强度的较大变化,对保载疲劳的影响比较复杂,将保载疲劳峰值应力归一化处理后(与材料屈服应力的比值),发现在固溶处理后油淬,可获得中间厚度的次生α相板条,此时保载疲劳敏感性最低;固溶处理后空冷,β转变组织中次生α相板条最厚,对应的保载疲劳敏感性最大。对疲劳试样中存在的二次裂纹的EBSD分析结果表明,二次裂纹所在晶粒具有较高的基面滑移Schmid因子,可推断基面滑移启动;在保载疲劳条件下,裂纹所在晶粒的基面与加载方向成75~105角,常规疲劳条件下二次裂纹几何平面与加载方向近似垂直;激光共聚焦显微镜观察发现,保载疲劳条件下滑移带的数量随循环周次的增多非常明显,滑移带密度也非常高,而常规疲劳加载条件下滑移带数量随循环周次的变化不大,滑移带密度也明显偏低。疲劳断口、EBSD分析和初生β相体积分数对保载疲劳影响的结果均表明,Ti60合金保载疲劳敏感性与初生α颗粒的取向有关,在保载疲劳实验条件下,具有相近取向的α颗粒同时经历变形和裂纹形核,随循环周次增加,形核后的裂纹逐渐扩展,并与其附近的微裂纹合并、长大后快速扩展,导致疲劳寿命大幅度降低;初生α相数量减少,微裂纹合并、长大前需经历更长的扩展过程,导致保载疲劳寿命延长,保载疲劳敏感性降低。