損傷容限型鈦合金斷裂韌度及疲勞裂紋擴(kuò)展速率與金相組織關(guān)系的研究

趙云+佟巖

摘 要：研究了TC4-DT鈦合金片層和雙態(tài)兩種典型的金相組織對疲勞裂紋擴(kuò)展速率、斷裂韌度及性能的影響，結(jié)果表明：片層組織的室溫力學(xué)性能較雙態(tài)組織略有降低，而其斷裂韌度和抵抗疲勞裂紋擴(kuò)展的能力高于雙態(tài)組織，即片層組織的損傷容限性能優(yōu)于雙態(tài)組織。

關(guān)鍵詞：損傷容限型鈦合金；片層組織；雙態(tài)組織；疲勞裂紋擴(kuò)展速率；斷裂韌度

1引言

鈦合金在航空工業(yè)中的應(yīng)用優(yōu)勢日趨明顯。但隨著鈦合金原材料價格的上漲，以及鈦合金需求的趨旺，國際上近期鈦合金的發(fā)展重點(diǎn)有三個方面的轉(zhuǎn)變：一是由性能驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)槌杀掘?qū)動，即尋求低成本途徑；二是由成分創(chuàng)新驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)楣に噭?chuàng)新驅(qū)動，即由合金化途徑滿足使用要求轉(zhuǎn)變?yōu)闊峁に囃緩綕M足使用要求；三是鈦合金選材判據(jù)發(fā)生變化。本課題主要研究片層和雙態(tài)兩類典型金相組織對疲勞裂紋擴(kuò)展速率、斷裂韌度以及性能的影響規(guī)律。

2試驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)采用兩相區(qū)熱處理獲得等軸初生α相含量為30%的雙態(tài)組織，通過控制β熱處理工藝參數(shù)獲得具有等軸初生α為3%的片層組織，熱處理工藝參數(shù)見表1所示[7]。

3試驗(yàn)過程與結(jié)果

3.1金相組織檢查

在TC4-DT鈦合金鍛件上切取高倍試樣，經(jīng)腐蝕劑腐蝕后在金相顯微鏡下進(jìn)行觀察，根據(jù)組織和形態(tài)總體分為兩類，即片層組織（1#-4#）和雙態(tài)組織（5#-8#），顯微組織形貌見圖1。

3.2片層組織、雙態(tài)組織斷裂韌度試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

片層組織試樣的斷裂韌度均明顯高于雙態(tài)組織，這是由于雙態(tài)組織中裂紋的擴(kuò)展路徑比較平直且分支少，裂紋可直接穿過α相擴(kuò)展，而裂紋在片層組織中的擴(kuò)展路徑較曲折，起伏大，且擴(kuò)展過程中形成的二次裂紋和許多細(xì)小裂紋會使能量降低而阻礙裂紋的擴(kuò)展[3]。

3.3雙態(tài)組織疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

由于試樣預(yù)制了缺口，故循環(huán)周次主要是疲勞裂紋擴(kuò)展壽命。斷裂韌度的測試采用緊湊拉伸C（T）試樣，厚度B=12.5mm，取樣方向?yàn)門-L方向。疲勞裂紋擴(kuò)展速率的加載方式為：正弦波，試驗(yàn)頻率f =25Hz，應(yīng)力比R=0.1。

相比之下，片層組織的疲勞裂紋擴(kuò)展速率明顯低于雙態(tài)組織。裂紋在片層組織中的擴(kuò)展速率約為其在等軸組織中的40%，因此片層組織抵抗裂紋擴(kuò)展的能力優(yōu)于雙態(tài)組織，這是因?yàn)樵谑覝叵缕瑢咏M織的滑移受原始粗大的晶粒的影響，密集的滑移帶常常在晶界α處中斷，裂紋越過晶界α相時方向發(fā)生改變，因此裂紋擴(kuò)展途徑曲折，增加了裂紋的總長度，消耗了斷裂所需的能量。片層組織中裂紋擴(kuò)展不僅遇到晶界α相時改變方向，且遇到不同集束時，由于不同集束的位向不同，位于裂紋擴(kuò)展前端的α/β條將發(fā)生塑性變形，阻礙裂紋的擴(kuò)展。這兩點(diǎn)因素使片層組織的斷裂韌度增高，疲勞裂紋擴(kuò)展速率降低。

3.4室溫力學(xué)性能試驗(yàn)

片層組織的室溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度與雙態(tài)組織差別不明顯。片層組織的斷面收縮率較雙態(tài)組織下降了約18.6%，片層組織初生α相很少，導(dǎo)致拉伸塑性明顯降低。α相顆粒的數(shù)量越多，在拉伸變形時形成的空洞長大時遇到的阻礙越多，斷裂前產(chǎn)生的變形更大，塑性較高。

3.5斷口觀察

將斷裂韌度試樣斷口進(jìn)行宏觀觀察。斷口為淺灰色，具有金屬光澤，為正常的韌性斷口。預(yù)制裂紋區(qū)較平坦，有些可以看到較大的金屬晶粒。片層組織試樣和雙態(tài)組織的疲勞源區(qū)均為線源，源區(qū)間放射棱線多并可見明顯放射狀擴(kuò)展棱線特征。穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)即預(yù)制裂紋區(qū)較平坦，可以看到金屬晶粒大小?？焖贁嗔褏^(qū)兩側(cè)有明顯的剪切唇。

4、結(jié)論

1、TC4-DT鈦合金片層組織斷裂韌度和抵抗疲勞裂紋擴(kuò)展的能力高于雙態(tài)組織，這說明片層組織的損傷容限性能優(yōu)于雙態(tài)組織。當(dāng)雙態(tài)組織的等軸初生α相含量約為30%-40%，片層組織的初生α相含量為3%時，裂紋在片層組織中的擴(kuò)展速率約為其在等軸組織中的40%。

2、片層組織的室溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度與雙態(tài)組織差別不明顯。片層組織的斷面收縮率較雙態(tài)組織下降了約18.6%。雙態(tài)組織中初生α相越多，拉伸變形時空洞長大受到的阻礙越大，使試樣斷裂前產(chǎn)生更大的變形，塑性更高。

3、片層組織較雙態(tài)組織斷口宏觀形貌粗糙，微觀斷口形貌相差不大，疲勞源區(qū)微觀形貌為準(zhǔn)解理，疲勞擴(kuò)展區(qū)可見二次裂紋及疲勞條帶特征，瞬斷區(qū)為典型的韌窩形貌。

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