钛合金作为一种结构质料，，，，，，由于具有高强度重量比、较低的弹性模量、优异的疲劳强度和韧性以及优异的耐侵蚀性等特点，，，，，，被普遍应用在航空航天、医疗等领域[1-2]。。。。。。。相较于其他常见的金属质料，，，，，，钛合金不但密度小、强度高、耐侵蚀，，，，，，同时也越发轻盈。。。。。。。然而，，，，，，通例钛合金制备工艺无法完全消除质料内部的孔隙，，，，，，在外加应力集中作用下，，，，，，剩余孔隙会对证料疲劳裂纹的形成历程爆发较大影响，，，，，，当质料外貌爆发疲劳裂纹点后，，，，，，会加速零件的疲劳破损。。。。。。。使用热等静压手艺（hotisostaticpressing，，，，，，HIP）制备的钛合金质料可很好地阻止质料的不匀称孔隙率和因素偏析等内部缺陷[3-4]。。。。。。。田亚强等[5]研究了置氢量及热等静压工艺参数对置氢TC4合金粉末热等静压制件组织性能的影响纪律，，，，，，发明热等静压制件的片层状组织尺寸变薄、针状的组织变细,等轴颗粒组织愈来愈多,制件致密效果好、综协力学性能高。。。。。。。

为进一步提高钛合金质料的外貌性能，，，，，，罗雪坤等[6]研究了应力集中条件下喷丸对其疲劳性能的影响纪律，，，，，，发明喷丸后的试样疲劳极限划分提高了33.5%和22.2%，，，，，，缺口敏感性下降了48%。。。。。。。田凯等[7]接纳激光攻击/机械喷丸复合强化对TC4钛合金薄壁试样举行外貌处置惩罚，，，，，，发明相比未强化的FOD和无FOD试样，，，，，，复合强化FOD试样的平均疲劳寿命划分提高了370%和60%，，，，，，复合强化后在试样表层形成了深层剩余压应力。。。。。。。ê穸500μm）。。。。。。。通过以上的研究发明可通过一定的后续强化加工工艺进一步地改善质料的抗疲劳性能。。。。。。。但古板的喷丸加工保存加工精度低、质料应用有限等问题，，，，，，而超声外貌滚压可以实现更高的加工精度、更广的质料兼容规模和越发显著的性能提高等。。。。。。。本文主要研究超声外貌滚压（USR）对HIP法制备TC4钛合金的疲劳性能影响，，，，，，期望能为钛合金电机转子的疲劳性能研究提供一定参考。。。。。。。

1、试验与要领

1.1试验质料和要领

试验工具为接纳热等静压手艺制备的TC4钛合金棒件，，，，，，其尺寸为40mm（直径）×500mm（长度），，，，，，致密度为99.8%。。。。。。。HIP制备试件的参数是真空度为10~5Pa、温度为850°C、时间为3h，，，，，，并随炉冷却。。。。。。。接纳HK30C型超声波外貌强化妆置对棒材举行强化处置惩罚，，，，，，加工示意图见图1，，，，，，加工参数见表1。。。。。。。

表 1 超声外貌滚压（USR）处置惩罚参数

1.2结构表征及性能测试

使用扫描电子显微镜（Quanta200FEG型）和射透电子显微镜（TECNAIG2S-TWINF20型）对试样的微观结构转变举行表征。。。。。。。用MVS-1000Z型硬度计（载荷0.5N，，，，，，一连时间10s）测得试样的显微硬度值，，，，，，用BMT专家级丈量系统（丈量速率0.1mm/s，，，，，，最小步长0.5μm）丈量试样的外貌粗糙度。。。。。。。接纳sin2ψ要领，，，，，，用RigakuⅡ衍射仪测得试样的剩余应力。。。。。。。接纳SANSE45万能试验机，，，，，，以20mm/min的速率测得试样的拉伸性能。。。。。。。在室温下，，，，，，使用QBWP旋转弯曲机以100Hz的循环频率对USR处置惩罚前后的试件举行应力控制旋转弯曲疲劳试验，，，，，，疲劳试样尺寸见图2。。。。。。。

2、效果与讨论

2.1微观结构

USR处置惩罚前后的TC4钛合金截面扫描电镜（SEM）图像见图3。。。。。。。与未处置惩罚试样相比（图3a），，，，，，经USR处置惩罚试样（图3b）的上表层有显着的塑性变形，，，，，，变形层厚度约为35μm，，，，，，且α和β相变的弯曲、质料变形偏向与滚压头进给偏向一致。。。。。。。USR处置惩罚有用增进了质料表层组成相的细化，，，，，，增添了质料外貌改性层中的位错密度[8]，，，，，，且在相对致密的质料塑性变形层中无显着的大孔洞，，，，，，这主要归功于高频的超声振动增添了质料表层的致密度，，，，，，闭合了质料外貌改性层中的微观孔隙或细小裂纹。。。。。。。β相由于其自身的晶格结构（bcc），，，，，，易于爆发塑形变形并被细化；；；；；；；而α相为密排六方晶格结构（hcp），，，，，，相关于β相具有较少的滑移系统，，，，，，以是在变形历程中β相被逐渐挤压进α相，，，，，，二者之间无显着的界线。。。。。。。众所周知，，，，，，质料的塑性变形层与其微观结构和力学性能有很强的相关性[9]。。。。。。。随着质料深度的增添，，，，，，质料的塑性变形水平逐渐减小，，，，，，说明超声振动的能量逐渐削弱，，，，，，已不具备增添质料塑性变形的能力。。。。。。。

试样截面的射透显微（TEM）图像如图4所示。。。。。。。在图4a中，，，，，，质料外貌改性层晶粒多为等轴状，，，，，，取向随机且没有显着晶界。。。。。。。在响应的选择区域电子衍射图中，，，，，，区域1显示了一些不一连的圆弧衍射名堂，，，，，，这说明质料表层被显着细化，，，，，，且晶粒和亚晶粒共存。。。。。。。在晶粒内部和界线处保存一些麋集的位错缠结区域且漫衍较匀称，，，，，，这些位错提供了高密度的应变能。。。。。。。同时一些大角度的晶界处，，，，，，细小的晶界可以使用增添的位错应变能，，，，，，通过位错的湮灭、积累和重排的方法形成，，，，，，从而有利于亚晶粒的爆发。。。。。。。随着应变能和应变速率的增添，，，，，，位错缠结将转变为亚界线。。。。。。。因此，，，，，，细化的晶粒将在亚界线的交织处形成。。。。。。。

如图4b所示，，，，，，位错密度较为集中，，，，，，面积显着增添且有些位错泛起细条状。。。。。。。一样平常来说，，，，，，位错缠结的形成是重大的，，，，，，主要是相互缠结造成的。。。。。。。质料的塑性变形可通过在距离被处置惩罚外貌差别深度的位错运动来完成，，，，，，位错漫衍越匀称，，，，，，质料的塑性变形性能越好，，，，，，说明质料的塑性变形随着深度的增添在逐渐变小且变得不再匀称。。。。。。。一旦位错在某些滑移面遇到障碍物，，，，，，位错就会爆发弯曲，，，，，，那里的位错密度会响应增大，，，，，，爆发位错缠结[10]。。。。。。。区域2的电子衍射图显示为规则的点阵排列，，，，，，说明所选区域仅包括单个晶粒，，，，，，此处已经没有晶粒细化效果，，，，，，主要以质料的塑性变形为主，，，，，，同时可以增添质料的致密度。。。。。。。

2.2XRD衍射剖析和剩余应力

为进一步剖析TC4合金组成相的转变情形，，，，，，对USR处置惩罚前后的试样举行了X射线衍射丈量，，，，，，以评估USR处置惩罚在质料表层加工强化的效果[11]。。。。。。。由图5可见，，，，，，USR处置惩罚显著改善了α-Ti（101、102和103）的衍射峰宽度，，，，，，一样平常XRD衍射峰宽度主要受晶粒尺寸和应力的影响，，，，，，这也间接说明质料经USR处置惩罚后具有较好的晶粒细化效果和较大的应力值。。。。。。。经丈量发明，，，，，，USR处置惩罚后，，，，，，在试样的外貌引入的最大剩余压应力高达-1173MPa，，，，，，显着高于切削试样爆发的剩余压应力（-483MPa）。。。。。。。

一样平常质料外貌的高剩余压应力与其外貌显微硬度值亲近相关，，，，，，这有利于提高质料外貌抗损伤能力[12]。。。。。。。另外，，，，，，衍射峰宽度的增添也批注晰位错密度或晶格应变的增添。。。。。。。众所周知，，，，，，随着距离质料外貌深度的增添，，，，，，剩余压应力值会逐渐减小。。。。。。。而剩余压应力主要来自于质料履历强化加工后不匀称的弹塑性变形，，，，，，USR处置惩罚后试样外貌的剩余压应力值显着增大，，，，，，这批注质料表层的塑性变形应归因于大宗位错的爆发，，，，，，因此可推断剩余压应力延伸到位错爆发区对应的深度[13]。。。。。。。USR处置惩罚在质料表层引入的剩余压应力可镌汰和消除质料外貌的任何剩余或随后施加的拉应力，，，，，，而大大都疲劳失效都是在外貌应力处于拉伸状态时，，，，，，最先或靠近外貌拉应力逐渐爆发的。。。。。。。因此通过降低质料外貌或其周围的净拉应力，，，，，，可以延缓疲劳裂纹的爆发或形成，，，，，，提高构件的疲劳寿命[14]。。。。。。。

2.3外貌粗糙度和力学性能

在载荷为900N的条件下举行USR处置惩罚，，，，，，使用高频超声攻击,可将切削加工爆发的凸凹峰碾压平整，，，，，，获得的最小外貌粗糙度为Ra0.13μm，，，，，，险些是未处置惩罚试样外貌粗糙度（Ra0.79μm）的六分之一。。。。。。。因此，，，，，，经USR处置惩罚后的试样外貌较量平滑，，，，，，可有用阻止应力集中。。。。。。。同时，，，，，，经USR处置惩罚，，，，，，质料的外貌显微硬度由最初的325HV提高到436HV。。。。。。。这应归因于质料表层具有较厚的塑性变形层，，，，，，优异的晶粒细化和加工硬化效应，，，，，，遵照了Hall-Petch关系，，，，，，以及质料表层USR引入的较大的剩余压应力。。。。。。。这些因素增添了质料在显微硬度丈量历程中的抗变形能力，，，，，，并且高外貌硬度可以改善机械外貌损伤的状态[15]。。。。。。。然而，，，，，，由于质料固有的特征，，，，，，提高质料外貌硬度的物理强化工艺在情形温度下的作用很是有限。。。。。。。USR处置惩罚后的最大硬化层深度约为55μm，，，，，，这与质料塑性变形层的厚度基本一致。。。。。。。在USR处置惩罚历程中，，，，，，转动头将超声振动能量转达到质料外貌改性层。。。。。。。一方面，，，，，，质料表层爆发显着的塑性变形；；；；；；；另一方面，，，，，，质料表层的质料密度也会增添。。。。。。。这也诠释了质料硬化层深度大于质料塑性变形厚度的缘故原由。。。。。。。深的外貌硬化层和优异的晶粒细化效果可以改变或延缓外貌微裂纹的形成，，，，，，提高质料的拉伸和疲劳性能。。。。。。。

图6展示了TC4试样在拉伸测试历程中的应力-应变曲线。。。。。。？？？？？？？杉，，，，，，试样经USR处置惩罚后，，，，，，其极限抗拉强度从初始的963MPa提高到990MPa，，，，，，伸长率和缩短率划分为19%和51.7%。。。。。。。相比之下，，，，，，未经处置惩罚试样的伸长率和面积缩短率划分为22%和41.7%。。。。。。。因此，，，，，，与未经处置惩罚的试样相比，，，，，，经USR处置惩罚的试样具有优异的拉伸性能。。。。。。。主要缘故原由如下：USR处置惩罚在质料外貌或外貌周围形成了一层高强度的剩余压应力层；；；；；；；质料外貌改性层爆发了麋集的位错，，，，，，增添了质料表层的应变能。。。。。。。众所周知，，，，，，高密度位错的相互作用可提高质料的屈服强度，，，，，，而剩余压应力可抑制沿晶/相界裂纹的萌生和扩展，，，，，，镌汰晶中止裂[16]。。。。。。。凭证Hall-Petch方程，，，，，，质料的屈服强度也与晶粒尺寸有关，，，，，，且随着晶粒尺寸的减小而逐渐增大[17]。。。。。。。因此，，，，，，USR处置惩罚后试样的细晶改性层可以阻止外貌微裂纹的形成，，，，，，而拉伸裂纹的初始点主要泉源于质料内部，，，，，，并在拉伸历程中爆发瞬断。。。。。。。

2.4疲劳性能

如图7所示，，，，，，比照USR处置惩罚的试样和未处置惩罚试样的应力-寿命（W?hlerS-N）曲线，，，，，，发明USR处置惩罚显著提高了质料的疲劳强度、延伸了质料的疲劳寿命。。。。。。。特殊是在应力疲劳（高周疲劳）状态下，，，，，，与未处置惩罚试样的465MPa循环应力相比，，，，，，经由107次循环后，，，，，，USR处置惩罚试样的疲劳强度提高到560MPa，，，，，，增添约25%，，，，，，疲劳寿命增添了三个数目级。。。。。。。随着施加循环应力的增添，，，，，，试样的疲劳寿命逐渐减小，，，，，，但USR处置惩罚试样的疲劳寿命仍为未处置惩罚试样的3倍。。。。。。。在低周疲劳状态下，，，，，，TC4试样泛起出差别的斜率。。。。。。。USR处置惩罚试样的曲线变得更平展，，，，，，批注该试样具有更高的对抗超应力能力。。。。。。。别的，，，，，，与未处置惩罚的试样相比，，，，，，USR处置惩罚试样受到外貌强化层的作用，，，，，，对微塑性变形的对抗能力更强。。。。。。。

经疲劳试验后的TC4试样断口形貌见图8。。。。。。。未处置惩罚试样在450MPa循环应力作用下，，，，，，其疲劳裂纹初始点爆发于试样外貌（图8a），，，，，，且断口形态可分为三个裂纹扩展区。。。。。。。其中，，，，，，区域1为裂纹萌生区，，，，，，其爆发的主要缘故原由是循环应力作用下的应力集中，，，，，，裂纹顺着晶内滑移面或与施加应力相顺应的晶界沿晶体学偏向扩展，，，，，，断口外貌主要体现为解理和粗台阶；；；；；；；区域2是稳固裂纹扩展区，，，，，，疲劳裂纹在循环应力作用下逐渐扩展且有显着的裂纹扩展条纹；；；；；；；区域3是裂纹的加速扩展区，，，，，，一旦裂纹扩展抵达该区域，，，，，，体现试样即将断裂，，，，，，而试样最终的断裂体现为韧窝的形核、群集和生长。。。。。。。一样平常来说，，，，，，α相-片层的滑移面或晶粒间的界面是最常见的裂纹萌生位置部位[19]。。。。。。。因此，，，，，，在450MPa循环应力作用下，，，，，，未处置惩罚试样的疲劳断裂历程由最初的脆性断裂逐渐转变为最终的韧性断裂。。。。。。。

关于USR处置惩罚的试样，，，，，，由于质料外貌硬化层的保存，，，，，，疲劳裂纹的初始点向试样内部区域移动，，，，，，如图8b所示，，，，，，到质料外貌的距离为h（约500μm），，，，，，该区域未在剩余压应力场作用之下。。。。。。？？？？？？？杉，，，，，，疲劳裂纹从区域1逐渐向质料外貌和区域2和区域3延伸，，，，，，并且质料表层的断裂面较平滑，，，，，，这说明USR处置惩罚在外貌表层爆发的剩余压应力、应变强化、晶粒细化等有用地避免了微裂纹的爆发。。。。。。。α-相滑移面仍是区域1主要非裂纹初始点位置。。。。。。。

如图8c所示，，，，，，从裂纹初始点断口外貌可视察到许多细小的解理条纹（玄色箭头），，，，，，且条纹偏向相同，，，，，，还伴有几个平滑的断裂面（白色箭头），，，，，，这些解理条纹和断裂面划分由穿晶断裂和沿晶断裂形成，，，，，，这也说明裂纹初始位置主要为塑性断裂和脆性断裂的团结。。。。。。。这些裂纹按区域1~区域3的顺序逐渐扩展，，，，，，直至试样断裂，，，，，，并且图8b中的区域2和区域3，，，，，，具有与图8a所示的相似结构。。。。。。。

当循环应力增添到700MPa时，，，，，，未处置惩罚试样展的裂纹初始位置显着较多（图8d），，，，，，且区域3相对变大。。。。。。。别的，，，，，，断口边沿有一些较宽的撕裂条纹，，，，，，这应该归因于大的循环应力加速了试样外貌裂纹初始位置的增添，，，，，，从而导致试样爆发了较多的疲劳裂纹，，，，，，并快速断裂。。。。。。。

别的，，，，，，质料内部的剩余孔隙对裂纹扩展也有显著影响。。。。。。。如图8e所示，，，，，，USR处置惩罚试样的裂纹初始位置也显着增添，，，，，，并转移到质料外貌，，，，，，并且试样的断口较平展，，，，，，这主要是由于施加在质料外貌的高循环应力爆发了较大的应力集中。。。。。。。可是，，，，，，裂纹的初始位置仍然偏少，，，，，，并且质料外貌改性层中的撕裂条纹相对较小，，，，，，这个是由于外貌改性层阻止了裂纹的扩展。。。。。。。USR处置惩罚的试样在区域2和区域3的断裂面与未处置惩罚试样相似，，，，，，逐渐从脆性断裂过渡到韧性断裂。。。。。。。一样平常平面滑移质料的疲劳极限随晶粒尺寸的减小而增大且遵照Hall-Petch关系。。。。。。。众所周知，，，，，，越是随机取向的微观组织，，，，，，由裂纹分支和挠曲而导致的裂纹扩展速率越低，，，，，，疲劳强度/寿命越好[18]。。。。。。。综上所述，，，，，，超声外貌滚压工艺可以有用地改善钛合金转子的抗疲劳性能。。。。。。。

3、结论

本文研究了超声外貌滚压工艺对热等静压制备的TC4合金的微观结构和疲劳性能的影响，，，，，，获得以下结论：

（1）使用USR对HIPTC4合金举行了外貌强化处置惩罚，，，，，，发明质料外貌改性层的晶粒被显着细化，，，，，，并伴有致密的位错，，，，，，显微硬度和剩余压应力数值划分提高到435HV和-1173MPa，，，，，，极限抗拉强度增添到990MPa。。。。。。。

（2）在107次高周循环条件下，，，，，，USR处置惩罚试样相关于未处置惩罚试样，，，，，，其疲劳强度（560MPa）增添约25%。。。。。。。而在700MPa循环应力作用下，，，，，，USR处置惩罚试样的疲劳寿命是未处置惩罚试样的3倍。。。。。。。这主要应归罪于质料表层显微硬度和压剩余应力的增添、外貌粗糙度的降低、晶粒细化和微孔愈合的综相助用。。。。。。。

（3）与未处置惩罚的试样相比，，，，，，经USR处置惩罚的试样体现出差别的疲劳断裂形貌。。。。。。。裂纹起裂点位于压剩余应力场以下的区域，，，，，，并逐渐向外向内扩展，，，，，，裂纹起始点距离质料外貌有一个较大的过渡层。。。。。。。随着循环应力的增添（700MPa），，，，，，初始裂纹点转移到质料外貌，，，，，，但数目仍少于未处置惩罚试样。。。。。。。

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（注，，，，，，原文问题：超声外貌滚压对热等静压法制备的TC4合金疲劳性能影响）

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