《Journal of Alloys and Compounds》：Ultrasonic surface rolling improves tensile properties but reduces rotating bending fatigue strength in a titanium alloy
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超声表面滚动处理（USRP）在改善TC21合金表面完整性的同时，导致其旋转弯曲高周疲劳强度下降7.7%，梯度显微结构引发界面应力集中和位错堆积加速裂纹萌生与扩展。
Ji Huang|Zhong Zhang|Jiang Yang|Xin Wen|Dan Liu|Tianxin Li|Mingpan Wan|Junyu Chen|Chaowen Huang
贵州大学国家与地方高性能金属结构材料及先进制造技术联合工程实验室，中国贵阳，550025
摘要
采用超声表面轧制（USRP）技术在TC21合金上生成了梯度纳米结构表层，从而能够系统评估其对拉伸性能和疲劳性能的耦合效应。研究结果表明，微观结构梯度对旋转弯曲高周疲劳（RBHCF）损伤的发展具有决定性影响。尽管USRP显著提高了表面完整性——表现为粗糙度降低、压缩残余应力增加以及硬度梯度陡峭——并使伸长率提高了3%，拉伸强度达到1277 MPa，但RBHCF强度相对于未经处理的合金降低了7.7%。微观结构和断口分析表明，变形表层与较软基材之间的显著力学性能梯度产生了界面应力集中，促进了疲劳裂纹的萌生。关键在于，在初级α（αp）和次级α（αs）相界面上选择性位错积累，加上αp/βtrans（β相变微观结构）和αs/βr（保留的β基体）界面处的微观尺度应变不匹配，导致了局部应力放大。这些机制共同加速了梯度影响区域内的疲劳裂纹扩展。本研究强调了微观结构梯度设计在确定疲劳行为中的关键作用，并为优化疲劳关键应用的表面严重塑性变形工艺提供了新的见解。
引言
Ti-6Al-2Sn-2Zr-3Mo-1Cr-2Nb（TC21）钛合金是一种通过多家研究机构合作开发的高性能材料，因其高强度、优异的韧性和显著的损伤耐受性而在航空航天领域受到广泛关注[1]、[2]。其独特的双模态微观结构（BM）有助于提高延展性和抗冲击性[3]、[4]、[5]。此外，TC21合金已成为高性能工程材料的代表，并在航空航天工业中得到广泛应用[6]。然而，由TC21合金制造的航空航天部件通常在涉及高频率和低幅度的循环载荷条件下工作，此时表面缺陷可能成为疲劳裂纹萌生的关键部位，最终限制了使用寿命和结构可靠性[7]、[8]、[9]。为缓解这些问题，表面强化技术——特别是超声表面轧制（USRP）——已被广泛采用。通过高频冲击和轧制，USRP通过降低粗糙度、引入压缩残余应力以及提高表面硬度，有效改善了金属材料的疲劳寿命[10]、[11]、[12]、[13]。此外，通过USRP生成的梯度纳米结构层能够抑制裂纹萌生并延缓循环载荷下的损伤积累[14]。
然而，大多数现有研究主要关注梯度结构的有益方面，对特定载荷模式下潜在的负面影响关注较少。特别是，USRP处理后的TC21合金的旋转弯曲高周疲劳（RBHCF）行为尚未得到充分研究。在RBHCF条件下，部件会经历非对称的循环和多轴应力状态，使得疲劳损伤的发展成为一个复杂而关键的问题[15]、[16]。尽管先前对TC4合金和40CrNiMoA钢等合金的研究表明，USRP后表面微观结构得到改善，疲劳性能得到提升[17]、[18]，但具有独特双模态微观结构的TC21合金的响应仍需进一步研究。与传统预期相反，我们的初步实验表明，尽管通过USRP获得了改善的拉伸性能和表面特性（包括硬度和压缩残余应力），TC21合金的RBHCF强度却显著下降。这一发现表明，在某些条件下，梯度微观结构可能会加剧而非缓解疲劳损伤。
为了阐明其背后的机制，本研究系统地研究了USRP处理后TC21合金的RBHCF行为。我们特别关注梯度微观结构对循环旋转弯曲载荷下疲劳裂纹萌生和扩展的影响。通过将微观结构特征与疲劳性能相关联，本研究旨在为疲劳关键部件的表面严重塑性变形工艺的设计和应用提供新的见解。
材料
本研究中使用的原材料是西北有色金属研究院提供的TC21合金锻棒。该合金的原始微观结构为双模态微观结构（BM），其化学成分详见表1[19]。通过金相分析确定其相变点为930 ± 5 ℃。在机械测试之前，合金经过了标准化的热处理工艺以实现微观结构的稳定性：
USRP处理后的微观结构
图2展示了USRP在TC21合金中诱导的梯度微观结构，其特征是表层晶粒逐渐细化。这种微观结构梯度直接导致了近表面硬度和强度的提升。横截面分析（图2a）显示，样品G中存在大约120 μm厚的严重塑性变形层，而未经处理的样品O（图1a）则具有均匀的微观结构。
USRP诱导的梯度微观结构对RBHCF损伤的影响
疲劳损伤机制主要涉及裂纹萌生和扩展过程，其中裂纹萌生阶段约占总高周疲劳寿命的80%[42]、[43]、[44]。优化参数的超声表面轧制（USRP）通过三种相互关联的机制提高了表面完整性：晶粒细化形成了120 μm厚的严重塑性变形层，其中αp相延长，αs相发生变形（图2）；同时降低了表面粗糙度
结论
本研究系统研究了超声表面轧制（USRP）诱导的梯度微观结构与TC21合金旋转弯曲高周疲劳（RBHCF）性能退化之间的关系。主要结论如下：
(1)尽管USRP通过降低表面粗糙度和引入延伸约120 μm深的压缩残余应力（CRS）梯度显著提高了表面完整性，但
利益冲突声明
我们提交的论文题为“超声表面轧制改善了钛合金的拉伸性能，但降低了其旋转弯曲疲劳强度”。我们声明本文所述工作尚未在其他地方发表，属于原创性成果，也未被其他期刊考虑发表。所有作者均已同意发表该论文，且符合期刊的抄袭和出版伦理规范。论文内容不包含任何诽谤或非法内容
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52261025和52474402）、贵州省重大科技专项（项目编号Qiankehe Rencai XKBF [2025]008）、贵州省杰出青年科技人才计划（项目编号Qiankehe Platform Rencai YQK[2023]009）、中国 Scholarship Council（CSC Selection [2024]42 - 202406670003）以及贵州省研究生教育创新计划（2024YJSKYJJ084）的支持。
