近弹簧服役状态β钛合金疲劳变形行为及其孪晶形成机制

β titanium alloys are well suited as spring materials for railway vehicle due to the relatively good comprehensive properties, which keep it in competition with stainless steels. The using process showed that fatigue failure occurs in most of the springs, and it was found that beside alternative rotating stress and bending stress, there also existed shear stress. However, the complex stress imposed on springs could not be described accurately by fatigue test methods at present. Recently, the author found that the stress distribution nearby the notch of a “concave specimen” under rotary bending fatigue test was similar to the maximum equivalent stress distribution of spring, and {332}<113>β twinning was found in the vicinity of the notch under higher stress, brings about a stable fatigue strength, but the reason is still not well understood. Therefore, the main purpose of this work is to investigate the effects of the shear stress on the rotary bending fatigue deformation behavior, and to clarify the formation mechanism of {332}<113>β twinning and the role of {332}<113>β twinning in the process of fatigue deformation. This study will help understand the theory of fatigue deformation of β titanium, and pave the way for the design and engineering application of β titanium.

β钛合金可作为高性能弹簧的潜在使用材料，代替不锈钢制弹簧成为新一代车辆用弹簧材料，其在使用过程中的失效形式主要为疲劳断裂。应力分析发现，弹簧断裂处除了承受交变扭转应力和侧向弯曲应力外，还明显存在剪切应力。然而，目前成熟的疲劳测试方法都不能很好的反映弹簧服役过程中所受的复杂应力。近期，申请人通过有限元模拟发现一种“凹形试样”在旋转弯曲疲劳变形时其凹口附近应力分布与弹簧最大等效应力处非常相似，同时，在加载应力较高时凹口附近出现了较难形成的{332}<113>β孪晶，其疲劳强度却没有降低，但具体原因目前还不清楚。因此，深入研究外加剪切应力对β钛合金旋转弯曲疲劳变形及损伤行为的影响，分析疲劳变形过程中{332}<113>β孪晶的形成机制，揭示{332}<113>β孪晶对β钛合金疲劳变形行为的影响。不仅可以进一步充实β钛合金的疲劳变形理论，而且可以为β钛合金材料设计和工程化应用奠定扎实的理论基础。

β钛合金具有高比强度、低弹性模量、耐腐蚀等特点，可作为高性能弹簧的潜在使用材料，代替不锈钢制弹簧成为新一代车辆用弹簧材料。应力分析发现，弹簧断裂处除了承受交变扭转应力和侧向弯曲应力外，还明显存在剪切应力。通过有限元模拟弹簧在服役过程中的应力分布，发现弹簧内侧和外侧的最大等效应力均发生在第2工作圈处，且此处的应力为交变扭转应力、侧向弯曲应力及轴向剪切应力。据此设计了一种“凹形试样+旋转弯曲疲劳”测试方法，试样变形时其“凹口”附近应力分布与弹簧最大等效应力处非常相似，进而在实验室开发了近弹簧服役状态的疲劳测试方法。深入研究了复杂应力状态下β钛合金的疲劳变形损伤行为，弄清了应力/扭矩参量对β钛合金疲劳寿命变化的耦合影响规律。与常规试样旋转弯曲疲劳性能相比，确定了剪切应力对β钛合金旋转弯曲疲劳强度弱化的影响效应。通过光镜（OM）、扫描电镜（SEM）、背散射衍射（EBSD） 和TEM分析了不同应力/扭矩参量条件下疲劳中断及断裂样品的显微组织和表面微观组织演化规律，并与变形前的原始组织及位错组态进行了对比，揭示了剪切应力对β钛合金旋转弯曲疲劳变形行为及裂纹萌生扩展的影响本质，探讨了疲劳变形过程中α"马氏体和孪晶界与滑移带、位错等的交互作用机制。通过分析平面滑移机制和应力集中现象，结合合金表面微观组织观察和疲劳裂纹的萌生和扩展，较为完善的研究了β钛合金近弹簧服役疲劳损伤机制，进一步充实了β钛合金的旋转弯曲疲劳变形理论，为弹簧用β钛合金材料设计和工程化应用奠定扎实的理论基础。