為了滿足航空航天領(lǐng)域的高速發(fā)展及關(guān)鍵基礎(chǔ)件的重點(diǎn)攻關(guān)，各種新型高性能緊固連接件被研制和應(yīng)用，其中典型代表就是具有高強(qiáng)度、低密度等優(yōu)勢(shì)的鈦合金緊固件。鈦合金緊固螺栓作為航空裝備承力構(gòu)件連接的核心基礎(chǔ)件，直接決定著航空航天裝備的可靠性。為保證航空航天裝備的連續(xù)安全飛行，對(duì)鈦合金螺栓服役性能要求極高，尤其是商用飛機(jī)投入運(yùn)營(yíng)后要服役二三十年，且每天數(shù)小時(shí)連續(xù)飛行，對(duì)螺栓的要求甚至高于航天標(biāo)準(zhǔn)。從全球范圍來看，鈦合金螺栓已被國(guó)際航空工業(yè)強(qiáng)國(guó)成功應(yīng)用并取得良好效果。例如，俄羅斯圖204飛機(jī)緊固件以鈦代鋼后，其結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕了688kg[1]?？梢?，鈦合金對(duì)航空航天裝備的減重效果顯著。雖然鈦合金在力學(xué)性能、服役性能和輕量化等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，但由于鈦合金螺栓在使用過程中容易開裂，進(jìn)而造成航空裝備承力構(gòu)件的服役失效，甚至引起結(jié)構(gòu)斷裂和人員傷亡。為了盡早解決螺栓加工制造過程中的卡脖子問題，《機(jī)械工程學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略報(bào)告（2021—2035）》中將螺栓連接失效機(jī)制及性能調(diào)控技術(shù)的相關(guān)研究列為未來5～15年重點(diǎn)和優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域[2]。為了提高航空航天裝備的服役可靠性，新型鈦合金材料應(yīng)運(yùn)而生。TB8鈦合金是一種超高強(qiáng)度亞穩(wěn)定β鈦合金，因其具有良好的抗氧化性能、耐腐蝕性能和綜合力學(xué)性能[3-4]，被廣泛應(yīng)用到航空裝備核心基礎(chǔ)件中，如發(fā)動(dòng)機(jī)靜子機(jī)匣、壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和渦輪轉(zhuǎn)子等。

由于鈦合金加工過程中的缺口敏感問題，高性能TB8鈦合金緊固連接件的研究，尤其是低溫工況下TB8鈦合金緊固連接件的疲勞性能的研究鮮有報(bào)道。尤其是機(jī)械裝備在低溫特殊環(huán)境下的服役，給整機(jī)裝備及基礎(chǔ)構(gòu)件的安全設(shè)計(jì)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。在金屬低溫疲勞性能方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開展相關(guān)的研究。吳自越[5]研究了TC20合金低溫環(huán)境下的力學(xué)性能特征，研究結(jié)果表明了TC20合金在低溫下表現(xiàn)出更高的抗拉強(qiáng)度。LuZC等[6]開展了20～300K溫度范圍內(nèi)的拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)孿晶變形在低溫條件下對(duì)鈦合金的塑性起到了關(guān)鍵作用，是其保持良好低溫塑性的主要原因。

上述分析可知，雖然有關(guān)TB8鈦合金疲勞性能的研究已經(jīng)取得了顯著成果，但對(duì)于螺栓連接件，尤其是低溫環(huán)境下的拉-拉疲勞性能還缺乏系統(tǒng)全面的研究。為了探究和完善TB8鈦合金螺栓不同溫度環(huán)境下的服役特性，本研究通過設(shè)置不同環(huán)境溫度（20℃、0℃、-20℃和-40℃），利用高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)，以典型TB8鈦合金螺栓為對(duì)象，研究鈦合金螺栓樣件的低溫拉-拉疲勞性能，并結(jié)合螺栓微觀組織、顯微硬度、殘余應(yīng)力和斷口形貌等特征，揭示其低溫疲勞失效機(jī)制，指導(dǎo)鈦合金空天緊固件的高性能制造。

1、試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用規(guī)格為M6六角頭TB8鈦合金螺栓，其材料成分見表1。其熱處理工藝為：固溶890℃×0.5h+時(shí)效520℃×8h，空冷，TB8鈦合金原材料經(jīng)過時(shí)效強(qiáng)化處理后，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1300～1450MPa，研究用螺栓的基本制造過程為下料-粗車-熱鐓-熱處理精車-精磨-滾絲-表面處理-終檢-包裝入庫(kù)。對(duì)TB8鈦合金螺栓樣件線切割取樣并拋光，利用超聲清洗機(jī)清洗試樣表面，保證拋光表面潔凈。然后采用鈦合金腐蝕溶液進(jìn)行金相腐蝕，溶液配比：HF為2mL、HNO3為4mL、H2O為44mL配制。采用萊卡金相顯微鏡(LeicaDMi8)觀察樣件組織。將拋光試樣安裝到固定夾具中，實(shí)現(xiàn)測(cè)量試樣件載物臺(tái)的移動(dòng)，以測(cè)量其深度方向的硬度變化，利用維氏硬度計(jì)(FR-2902)測(cè)量螺栓樣件的顯微硬度，其載荷和保壓時(shí)間分別為200g和15s。采用Cu靶Kα輻射X射線衍射儀(Proto,XRD)在工作電壓為40kV，工作電流為50mA，掃描范圍為20°～80°，掃描速率為2(°)/min-1條件下，采用sin2ψ法測(cè)量螺栓樣件的表面殘余應(yīng)力值。疲勞試驗(yàn)加載方法如下：首先按照GJB715.23A-2015《緊固件試驗(yàn)方法拉伸強(qiáng)度》要求，確定M6六角頭TB8鈦合金螺栓樣件的拉伸強(qiáng)度，通過對(duì)樣件進(jìn)行3次拉伸得其均值為24.2kN，再根據(jù)GJB715.30A-2002《緊固件試驗(yàn)方法拉伸疲勞》要求，高載設(shè)置為8.7kN，低載為高載的10%(0.87kN)，頻率70Hz。利用中機(jī)疲勞試驗(yàn)機(jī)(GPS100)測(cè)量溫度為20℃、0℃、-20℃和-40℃的疲勞壽命，并通過掃描電鏡觀察分析螺栓樣件斷口形貌。

2、結(jié)果分析

2.1金相組織

截取螺紋區(qū)域觀察螺紋形貌并制備金相試樣，經(jīng)氫氟酸腐蝕液侵蝕，用光學(xué)顯微鏡觀察螺栓顯微組織特征，如圖2所示?？芍?，TB8螺栓材料金相組織控制較為均勻，組織未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷，組織晶粒度均在7～8.5級(jí)。

β相等軸晶界清晰、明顯，晶粒度在6～7.5級(jí)，靠近芯部晶粒度能達(dá)到8.5級(jí)，邊緣部位晶粒度為7.5級(jí)。圖2a為200倍檢測(cè)顯微組織，可以觀察到金屬組織主要特征為在α-β相區(qū)加熱，冷卻過程中β相分解產(chǎn)生的α相。在螺紋擠壓成形過程中等軸β相明顯發(fā)生變形，局部冷擠壓產(chǎn)生α析出強(qiáng)化相，但是整體金屬流線清晰，組織均勻；圖2b為500倍顯微鏡進(jìn)行金相檢查，TB8金相組織局部存在點(diǎn)狀析出物，且伴隨著析出強(qiáng)化的產(chǎn)生。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析可知，原材料其晶粒尺寸在20～30μm。圖2c為鈦合金螺栓試樣滾絲成形后的金相組織結(jié)構(gòu)，觀察可知，螺紋在滾絲成形過程中并未出現(xiàn)明顯的宏觀裂紋、折疊、氣孔及其他肉眼可見加工缺陷，縱向低倍組織流線沿變形方向分布，滾絲成形區(qū)域晶粒尺寸在滾絲輪的擠壓作用下得到顯著冷作細(xì)化，表層晶粒尺寸穩(wěn)定在10~20μm。相關(guān)研究表明了金屬構(gòu)件表層晶粒細(xì)化將促進(jìn)材料表層硬度和殘余應(yīng)力等方面提高，進(jìn)而改善結(jié)構(gòu)件的疲勞性能和耐磨性能[7-8]。

2.2顯微硬度

目前螺栓斷裂主要出現(xiàn)在螺栓頭部和螺紋處，而螺栓頭部可以通過相應(yīng)的滾R處理改善頭部的疲勞性能。由于螺紋特殊結(jié)構(gòu)，尚未尋求合適的解決方法，常規(guī)采用熱處理方式提高其硬度以改善疲勞性能。因此，研究螺紋區(qū)域的硬度分布規(guī)律對(duì)于揭示疲勞失效機(jī)制具有重要意義。圖3為TB8鈦合金螺栓原材料和滾絲成形螺紋區(qū)域深度方向上的顯微硬度測(cè)試結(jié)果。可以看出TB8鈦合金熱處理后材料顯微硬度由表及里逐漸降低并逐步趨于穩(wěn)定，表層硬度由372HV0.2降低至358HV0.2，原材料呈現(xiàn)梯度分布的主要原因?yàn)楣倘軙r(shí)效處理中，在合金相變驅(qū)動(dòng)作用下α相快速形核且相變驅(qū)動(dòng)力和溶質(zhì)原子的擴(kuò)散速度達(dá)到最佳匹配，在基體材料表層形成了梯度明顯硬化層[9]。材料經(jīng)過滾絲成形加工后，TB8鈦合金螺桿金屬流線沿螺紋牙型重新分布，并在牙底處具有最大密度。同時(shí)還應(yīng)注意的是滾絲成形加工還伴隨著明顯冷作硬化現(xiàn)象，這是螺紋區(qū)域硬度由原來的372HV0.2提高至28HV0.2的主要誘因。隨著深度的增加，螺紋區(qū)域的顯微硬度逐漸降低至397HV0.2左右，其硬化層深度大約在350μm，大于固溶時(shí)效態(tài)TB8原材料的250μm厚度的硬化層。因此，在滾絲成形加工中不僅螺紋尺寸和形態(tài)特征滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，還需結(jié)合表層材料顯微硬度的分布規(guī)律，進(jìn)而深入探究螺栓服役過程中的疲勞性能及其斷裂失效機(jī)理。

2.3殘余應(yīng)力

本研究采用X射線無損檢測(cè)殘余應(yīng)力的方式。由于研究對(duì)象為M6規(guī)格的鈦合金螺栓，其螺紋結(jié)構(gòu)限制了殘余應(yīng)力檢測(cè)探針的測(cè)量，無法高精度地獲取螺紋底部的應(yīng)力真實(shí)值。因此，本研究測(cè)量靠近螺紋的螺桿部位的殘余應(yīng)力值，為螺栓的疲勞失效分析提供支撐。通過對(duì)3組螺栓桿部進(jìn)行X射線無損檢測(cè)，其結(jié)果如表2所示。由表可知，螺桿表面3次測(cè)量結(jié)果分別為-51MPa、-79MPa和-92MPa，說明螺栓應(yīng)力狀態(tài)均處于壓縮狀態(tài)。由螺栓加工工藝步驟可知，螺桿前已經(jīng)完成了固溶時(shí)效熱處理和精密磨削加工步驟，壓應(yīng)力可能主要來源于熱處理工程中材料表面和內(nèi)部的冷卻速度不一樣形成的，另外在螺桿磨削加工中引起的材料表層塑性變形導(dǎo)致的。課題組前期發(fā)現(xiàn)并證實(shí)了殘余壓應(yīng)力的存在可以抵消緊固件在拉伸疲勞中的拉應(yīng)力造成的疲勞損傷，抑制疲勞裂紋的快速擴(kuò)展，進(jìn)而提高緊固件的疲勞強(qiáng)度和服役壽命[2]。因此，在無法對(duì)螺紋底部誘導(dǎo)殘余壓應(yīng)力的前提下，對(duì)螺桿進(jìn)行預(yù)改性處理形成良好的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，是提升螺栓的疲勞性能的有效方法。

2.4疲勞壽命分布

圖4顯示了TB8鈦合金螺栓試樣疲勞壽命分布特征。由圖可知，螺栓試樣在20℃、0℃、-20℃和-40℃的平均疲勞壽命分別為2.46×10⁵、2.83×10⁵、2.96×10⁵和3.74×10⁵循環(huán)周次。隨著溫度的降低，TB8鈦合金螺栓試樣拉-拉疲勞壽命提高，這主要是因?yàn)榈蜏丨h(huán)境下鈦合金微觀組織結(jié)構(gòu)相對(duì)較為穩(wěn)定，且抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo)低溫環(huán)境下進(jìn)一步改善。同時(shí)TB8鈦合金螺栓試樣的拉-拉疲勞加載方式對(duì)材料強(qiáng)度更為敏感，因此，低溫環(huán)境下試樣強(qiáng)度的提升的主要誘因。相關(guān)研究證明了低溫環(huán)境下的鈦合金塑性變形能力、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均顯著提高且在一定應(yīng)力強(qiáng)度因子以內(nèi)，金屬構(gòu)件的疲勞裂紋擴(kuò)展速率也明顯降低，進(jìn)而改善鈦合金在低溫環(huán)境下疲勞裂紋擴(kuò)展的抵抗能力[10-11]。

2.5疲勞斷口形貌

圖5為20℃溫度下的鈦合金螺栓試樣的斷口形貌。疲勞斷口均呈現(xiàn)出明顯的裂紋萌生區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)，且螺栓試樣均從螺紋底部斷裂。其中，試樣在20℃環(huán)境下的疲勞斷口可以觀察到較多的疲勞失效，表現(xiàn)出明顯的多源疲勞特征，在裂紋擴(kuò)展區(qū)域的斷口表面分布著疲勞條帶，當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展到瞬斷區(qū)，表面出現(xiàn)較多的拉伸韌窩和擴(kuò)展臺(tái)階，說明試樣表現(xiàn)出了一定的塑性斷裂。同時(shí)，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展形成了大尺寸的宏觀裂紋并伴隨著間距規(guī)律的擴(kuò)展棱線，在螺栓樣件的拉拉受力作用下，疲勞條帶的變形量增加，最終導(dǎo)致螺栓樣件的疲勞斷裂，并在瞬斷區(qū)形成了較為平整的斷口形貌。

圖6所示為0℃、-20℃和-40℃溫度下的鈦合金螺栓試樣的斷口形貌。圖6a、圖6b為0℃的斷口形貌，斷裂表面不僅分布著碎屑，還形成了河流狀的疲勞解理，此種形貌說明了螺栓試樣在斷裂前經(jīng)歷了較大的變形，在疲勞試樣過程中微宏觀裂紋逐漸擴(kuò)展并融合。同時(shí)也表明材料在斷裂時(shí)承受了較大的應(yīng)力，可能存在著一定的脆性。圖6c、圖6d為-20℃的斷口圖，該溫度下的宏觀斷口較為平齊且光亮，屬于典型的脆性斷裂。同時(shí)隨著溫度的降低，形成的解理臺(tái)階高度顯著增加，在解理面上未觀察到明顯的韌窩，說明了-20℃溫度下的試樣斷裂前基本不產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形。隨著溫度降低至-40℃，其斷口形貌如圖6e、圖6f所示?？梢杂^察到宏觀失效裂紋也在斷裂表面形成，裂紋擴(kuò)展至瞬斷區(qū)引起片狀材料與基體之間分離并將脫落，推測(cè)是螺栓滾絲后引入的殘余壓應(yīng)力在-40℃低溫環(huán)境下的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)不能有效抑制裂紋擴(kuò)展，因此在斷口表面形成了材料剝離。同時(shí)材料脆性的提升也是片狀碎屑形成的重要因素之一。

3、結(jié)語(yǔ)

（1）TB8鈦合金螺栓經(jīng)過滾絲成形后螺紋部位晶粒細(xì)化效果明顯，其表面硬度值最大達(dá)到428HV0.2，其硬化層深度大約在350μm。

（2）新型典型規(guī)格M6六角頭TB8鈦合金螺栓在20℃、0℃、-20℃和-40℃溫度下的拉-拉疲勞壽命分別為2.46×10⁵、2.83×10⁵、2.96×10⁵和3.74×10⁵循環(huán)周次，疲勞壽命隨著溫度的降低而增加。

（3）低溫環(huán)境下疲勞壽命增加的主要原因?yàn)椴牧蠌?qiáng)度和脆性的提高，導(dǎo)致了螺栓試樣的疲勞斷口呈現(xiàn)不同失效機(jī)理和模式。常溫20℃環(huán)境下試樣主要表現(xiàn)為塑性斷裂，低溫環(huán)境下表現(xiàn)為解理斷裂和脆性斷裂。

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第一作者：孫曉軍，男，1983 年生，研 究員，研究方向?yàn)椴牧霞盁崽幚怼-mail：15937614721@139.com

通信作者：張亞龍，男，1990 年生，博 士，講師，研究方向?yàn)榭仗炀o固件先進(jìn)抗疲 勞制造。E-mail:zhangyalong@zua.edu.cn

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