HCF property improvement through microstructure optimization and shot peening in (α + β) Ti alloys

Yang, Shan

This work is focusing on investigating the high cycle fatigue behaviours (HCF) of Ti-6246 and TIMETAL-54M under various work conditions and improving HCF through microstructure optimization by means of thermo-mechanical processing (TMP) and shot peening (SP). TMP routes were designed to develop different sorts of microstructures. Optical microscope (OM) and high energy synchrotron X-ray diffraction (HESXRD) were utilized to characterize the microstructures and phase constitutions, respectively. HCF of various microstructures was evaluated under rotary bending load (R-B) to clarify its microstructural dependence. The optimal microstructure was opted for surface strengthening by SP. To investigate the influence of loading mode, mean stress and environment, axial fatigue tests were carried out on the electro-polished (EP) optimal condition under different test parameters. The effect of SP was also determined on the peened specimens under axial load at both room temperature (RT) and 450 ℃. Characterization of surface roughness, microhardness and residual stress depth profiles of the peened and thermo-relaxed samples was performed using profilometer, microhardness tester and hole drilling method to help interpret the role of SP playing in HCF. Positioning of the crack nucleation sites and observation of fracture characters in fatigued specimens were conducted using scanning electron microscope (SEM) to elucidate the mechanisms of crack nucleation. The results achieved by OM and HESXRD confirm the martensitic transformation in Ti-6246, which reaffirms the alloy’s classification into (α + β) group. Duplex structure with 10 % primary α grains (αp) stands out for Ti-6246 with great advantage in HCF in comparison to the other microstructures and the as-received condition. The alloys exhibit high sensitivity to loading mode. Mean stress sensitivities are proven to be normal, regardless of test temperature. Increase in temperature from RT to 450 ℃ only results in minor decrease in HCF. The thermal stability of Ti-6246 in HCF is satisfactory. The material shows superior HCF performance in vacuum to that in lab air. At RT, SP contributes a moderate improvement in HCF. As increasing temperature to 450 ℃, fatigue limits are maintained. While, lifetimes at high stress amplitudes decrease due to the overwhelming detrimental effect of deteriorated surface finish after SP against the residual compressive stress. Fatigue crack nucleation (FCN) at subsurface region in EP condition is commonly observed within conventional fatigue regime (~107 cycles), despite of load ratio. The likelihood of subsurface FCN is found to increase with the decrease of stress levels. Multi-competing crack nucleation modes are operative, strongly depending on local microstructural configuration.

Diese Arbeit zielt auf die Untersuchung des Ermüdungsverhaltens (HCF) von Ti-6246 und TIMETAL-54M unter verschiedenen Arbeitsbedingungen und die Verbesserung in HCF durch Gefügeoptimierung mittels thermo-mechanischer Bearbeitung (TMP) und Kugelstrahlen (SP). TMP wurde unternommen, um verschiedene Mikrostrukturen zu entwickeln. Lichtmikroskop (OM) und Synchrotron-Röntgenbeugung (HESXRD) wurden verwendet, um die Mikrostrukturen und Phasen zu charakterisieren. HCF verschiedener Mikrostrukturen wurde unter Umlaufbiegelast (RB) ausgewertet, um die mikrostrukturellen Abhängigkeit zu klären. Die optimale Mikrostruktur wurde für die Oberflächenverfestigung durch SP entschieden. Um die Einflüsse der Belastung, Mittelspannung und Umwelt zu untersuchen, wurden axiale Ermüdungstests an des elektropolierten (EP) optimalen Zustands unter verschiedenen Testparameter durchgeführt. Der Effekt von SP wurde an den kugelgestrahlten Proben unter axialer Belastung sowohl auf Raumtemperatur (RT) und 450 ℃ bestimmt. Charakterisierung der Rauhigkeit, Mikrohärte und Eigenspannung von den gestrahlten und spannungsarmgeglühten Proben wurde mit Profilometer, Mikrohärteprüfer und Bohrlochmethode durchgefühlt. Untersuchung der Rissbildungsorte und der Bruchmechanismen wurden durch Rasterelektronenmikroskopie (SEM) geführt. Die von OM und HESXRD erzielten Ergebnisse bestätigen die martensitische Umwandlung in Ti-6246, die Klassifizierung der Legierung in (α + β)-Gruppe bekräftigt. Duplexstruktur mit 10 % primär α-Körner (αp) zeichnet sich in Ti-6246 mit großem Vorteil in HCF im Vergleich zu den anderen Mikrostrukturen und der Anlieferungszustand. Die Legierungen weisen eine hohe Empfindlichkeit auf Belastung. Mittelspannung Empfindlichkeiten sind bewährte, normal zu sein, unabhängig von der Testtemperatur. Erhöhung der Temperatur von RT bis 450 ℃ bringt nur geringfügige Abnahme in HCF. Die thermische Stabilität von Ti- 6246 in HCF ist zufriedenstellend. Das Material zeigt überlegende HCF im Vakuum auf die an der Luft. Bei RT trägt SP eine Verbesserung in HCF. Als die Temperatur auf 450 ℃ erhört, bleiben die Ermüdungsfestigkeiten gehalten, aber reduzieren die Lebensdauer bei hohen Spannungsamplituden aufgrund der überwältigenden nachteiligen Wirkung der verschlechterten Oberflächenqualität gegen die Druckeigenspannung. Ermüdungsrissbildung (FCN) unter den Probenoberflächen im EP-Zustand wurde unter 107 Zyklen allgemein beobachtet, trotz des Last-Verhältnisses. Die Wahrscheinlichkeit der FCN unter Oberflächen nimmt mit der Abnahme der Belastung zu. Multi-competing Rissbildungen gelten in dieser Legierung, stark abhängig von lokalen Gefügen.

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Yang, Shan: HCF property improvement through microstructure optimization and shot peening in (α + β) Ti alloys. 2014.

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