雙態(tài)組織高Nb-TiAl合金的缺口敏感性

許正芳，徐向俊，林均品

(1.寶山鋼鐵股份有限公司研究院，上海 200940)(2.中原工學(xué)院，河南 鄭州 450007)(3.北京科技大學(xué) 新金屬材料國家重點實驗室，北京 100083)

在設(shè)計工程結(jié)構(gòu)件時，難免會存在一些幾何不連續(xù)處，如連接孔、結(jié)構(gòu)溝槽或彎角等，從材料力學(xué)角度來看，可將這些幾何不連續(xù)處視為缺口。在工件服役過程中，應(yīng)力通常會集中在這些缺口根部并容易誘發(fā)裂紋，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件提前失效。高Nb-TiAl合金因具有優(yōu)越的高溫抗氧化性能以及瞬時高溫強度，已成為高溫高性能金屬間化合物的重要發(fā)展方向之一，被認(rèn)為是一種理想的航空航天用高溫結(jié)構(gòu)材料，主要用作航天飛機蒙皮、結(jié)構(gòu)件和渦輪發(fā)動機葉片等[1-4]。Kim等[5]研究認(rèn)為，大量難熔Nb元素的加入和Al含量的降低會使TiAl合金的缺口敏感性升高。從保證航空材料應(yīng)用時的安全性角度考慮，研究高Nb-TiAl合金的缺口敏感性具有重要的現(xiàn)實意義。

1 實 驗

采用真空自耗+真空自耗凝殼復(fù)合熔煉工藝制備高Nb-TiAl合金鑄錠，其名義化學(xué)成分為Ti-45Al-(8～9)Nb-(W、B、Y)(原子分?jǐn)?shù)，x/%)。鑄錠經(jīng)1 250 ℃/140 MPa/4 h熱等靜壓處理，再經(jīng)3次等溫鍛造熱加工獲得鍛態(tài)高Nb-TiAl合金坯料，其組織為細(xì)小均勻的雙態(tài)組織，如圖1所示。

圖1 鍛態(tài)高Nb-TiAl合金坯料的顯微組織Fig.1 Microstructure of as-forged high Nb containing TiAl alloy billet

以鍛態(tài)高Nb-TiAl合金坯料為研究對象進行拉伸試驗，結(jié)合ANSYS有限元模擬，分析其缺口強化機理。從缺口類型和缺口根部半徑兩方面討論合金對缺口的敏感性。金屬材料對缺口敏感性的指標(biāo)[6]以缺口試樣的抗拉強度RmN與無缺口光滑試樣的抗拉強度Rm的比值來衡量，稱為缺口敏感度，并用NSR(notch sensitivity ratio)表示，如式(1)所示：

NSR=RmN/Rm

(1)

NSR越大，缺口敏感性越小。當(dāng)NSR≥1時，表明材料對缺口不敏感；當(dāng)NSR<1時，表明材料對缺口敏感。

采用機械加工制備V型和U型2種形狀的圓棒狀試樣，如圖2所示。試樣缺口根部半徑R分別為

圖2 缺口拉伸試樣的幾何尺寸Fig.2 Geometrical dimensions of notch tensile specimens

2、1、0.5 mm，缺口處直徑為5 mm，缺口外平直部分直徑為7 mm。用金相干磨砂紙進行打磨以消除加工試樣表面的加工缺陷。無缺口試樣和圖2所示缺口試樣幾何外形相似，不同之處在于拉伸變形段為直徑7 mm的光滑區(qū)域。按照HB5214—1996標(biāo)準(zhǔn)在室溫下進行缺口拉伸測試，拉伸設(shè)備為MTS-809型材料試驗機，應(yīng)變速率為10-3s-1。采用掃描電鏡觀察拉伸試樣的斷口形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 拉伸性能

表1為高Nb-TiAl合金光滑試樣和缺口試樣的拉伸強度、延伸率以及缺口敏感度。從表1來看，對于V型缺口試樣，當(dāng)缺口角度為60°、半徑R≥1 mm時，其抗拉強度RmN大于光滑試樣的抗拉強度Rm，缺口敏感度NSR大于1，對缺口不敏感；R=0.5 mm時，V型缺口試樣的抗拉強度RmN在光滑試樣的抗拉強度Rm附近浮動，NSR=0.98～1.03，可見高Nb-TiAl合金V型缺口試樣在R=0.5 mm時產(chǎn)生缺口敏感性。U型缺口試樣在半徑R≥0.5 mm時，NSR均大于1，對缺口不敏感。U型缺口試樣在R=1 mm時，其NSR已與R=2 mm的V型缺口試樣相當(dāng)，因此未對R=2 mm的U型缺口試樣進行拉伸測試。

表1 高Nb-TiAl合金的拉伸試驗結(jié)果

Table 1 Tensile test results of high Nb containing TiAl alloy

從表1可見，當(dāng)缺口類型相同時，隨缺口根部半徑的減小缺口敏感性增大；在相同的缺口半徑條件下，V型缺口試樣的抗拉強度低于U型缺口試樣，其缺口敏感性相對較大。V型缺口試樣在R=0.5 mm時可產(chǎn)生缺口敏感。

2.2 斷口形貌

圖3和圖4分別為高Nb-TiAl合金無缺口試樣和缺口試樣拉伸后的斷口形貌。對比分析缺口試樣和光滑試樣的斷口形貌，發(fā)現(xiàn)缺口的存在并沒有改變合金的斷裂模式，仍然以穿晶解理為主要斷裂模式。不同之處在于光滑試樣裂紋從邊上某一部位萌生然后向其他地方擴展，整個斷裂面光滑平整；缺口試樣裂紋從四周萌生，然后向中間擴展，四周斷口呈階梯狀，整個斷裂面凹凸起伏較大，裂紋萌生之處均為穿晶解理斷裂。從缺口試樣的斷口形貌(圖4c)可以看出，有缺口存在時拉伸斷口更容易萌生二次微裂紋。

圖3 高Nb-TiAl合金無缺口試樣的斷口形貌Fig.3 Fracture morphologies of unnotched specimen of high Nb containing TiAl alloy:(a)macromorphology; (b)micromorphology

圖4 高Nb-TiAl合金缺口試樣的典型斷口形貌Fig.4 Typical fracture morphologies of notched specimen of high Nb containing TiAl alloy：(a)macromorphology; (b,c)micromorphologies

2.3 ANSYS有限元模擬

采用ANSYS有限元分析軟件計算了高Nb-TiAl合金U型試樣和V型試樣缺口根部的應(yīng)力集中系數(shù)Kt。計算結(jié)果顯示，對于V型缺口試樣，根部半徑為2 mm時，應(yīng)力集中系數(shù)很小，為1.066；根部半徑為1 mm時，應(yīng)力集中系數(shù)為1.50，缺口根部存在較大的應(yīng)力集中；根部半徑為0.5 mm時，應(yīng)力集中系數(shù)為1.96，應(yīng)力集中十分明顯。顯然，隨著缺口根部半徑的減小，應(yīng)力集中系數(shù)增大，則缺口敏感度NSR減小，缺口敏感性增大，試樣易于斷裂，當(dāng)R=0.5 mm時應(yīng)力集中已很大，可能會出現(xiàn)缺口敏感。結(jié)合表1數(shù)據(jù)可知，在R=0.5 mm時，V型缺口試樣出現(xiàn)了對缺口敏感的情況，因此在設(shè)計缺口零部件時要考慮到缺口尺寸對使用安全性的影響，在設(shè)計含有V型缺口的零部件時缺口根部半徑要滿足R≥1 mm的條件。對于U型缺口零部件，在R≥0.5 mm時，其缺口敏感度NSR均大于1，對缺口不敏感。

2.4 分析與討論

對于脆性材料或低塑性材料進行缺口試樣拉伸時，很難通過缺口根部極為有限的塑性變形使應(yīng)力重新分布，往往由彈性變形直接過渡到斷裂。本實驗中雙態(tài)組織高Nb-TiAl合金室溫拉伸延伸率約為2.2%，屬于半脆性材料的范疇，所以應(yīng)該對缺口敏感，而實驗結(jié)果卻并非如此。V型缺口試樣在R≥1 mm時，缺口敏感度NSR均大于1，對缺口不敏感，R=0.5 mm為產(chǎn)生缺口敏感的臨界值；U型缺口試樣在R=0.5 mm時已對缺口不敏感。對于這樣的實驗結(jié)果即高Nb-TiAl合金試樣對缺口不敏感，其機理可從缺口試樣斷口形貌進行分析。高Nb-TiAl合金的斷裂機制是解理斷裂，而解理斷裂形成裂紋前材料要產(chǎn)生一定的塑性變形，可以推斷缺口試樣根部發(fā)生了一定程度的塑性變形，而塑性變形強化了晶粒，使應(yīng)力重新分布，在進一步變形時引起解理應(yīng)力的提高，從而使缺口敏感度NSR大于1。已有研究表明[7]，在TiAl合金中只要產(chǎn)生0.8%的塑性變形就足以使應(yīng)力集中系數(shù)為2.4的缺口試樣應(yīng)力重新分布，而本實驗中合金室溫塑性延伸率達到了2.2%，根據(jù)有限元模擬結(jié)果，半徑R=0.5 mm時缺口根部應(yīng)力集中系數(shù)才達到2%，所以晶粒協(xié)調(diào)變形的能力變強，從而導(dǎo)致合金對缺口不敏感。

正如Milke等人[8]對TiAl合金的缺口敏感性研究結(jié)果一樣，在雙態(tài)組織高Nb-TiAl合金中，有相當(dāng)數(shù)量的γ晶粒，由于材料化學(xué)成分、相分布和晶粒間取向的不同，造成合金應(yīng)力分布不均勻，局部產(chǎn)生了應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致各個晶粒的塑性應(yīng)變和名義應(yīng)力存在很大的差別，這些承受大應(yīng)力和大應(yīng)變的晶粒就像材料中的缺陷一樣，裂紋將首先從這些地方開始萌生，從而大大降低合金宏觀解理所需的應(yīng)力和應(yīng)變，導(dǎo)致材料過早失效。對于相同的宏觀應(yīng)變，在一個小體積變形區(qū)域內(nèi)所包含的這種承受大變形和大應(yīng)力的晶粒一般比一個大體積變形區(qū)域內(nèi)的少，因此所測量的小體積的強度比大體積的強度高。由于缺口試樣變形主要集中在缺口根部區(qū)域，而光滑試樣在整個標(biāo)距范圍均為變形區(qū)域，所以缺口試樣的變形體積較光滑試樣的小，所測得的缺口試樣的名義應(yīng)力高于光滑試樣，從而使合金表現(xiàn)為對缺口不敏感。

金屬材料的缺口敏感性除與材料本身性能、應(yīng)力狀態(tài)(加載方式)有關(guān)外，還與缺口形狀、尺寸和實驗溫度有關(guān)。缺口根部半徑越小、缺口越深，材料對缺口的敏感性越大。缺口的存在主要是增加了缺口前端或裂紋尖端的應(yīng)力，使其提前達到晶粒開裂所需的應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋提前開裂擴展，但是并沒有改變其斷裂模式。對于高Nb-TiAl合金，在進行缺口試樣拉伸時，很難通過缺口根部極為有限的塑性變形使應(yīng)力重新分布，往往直接由彈性變形過渡到斷裂。

3 結(jié) 論

(1)雙態(tài)組織高Nb-TiAl合金V型缺口試樣在缺口角度為60°、缺口根部半徑R≥1 mm時和U型缺口試樣在R≥0.5 mm時，對缺口不敏感。

(2)當(dāng)缺口類型相同時，隨著缺口根部半徑的減小，缺口敏感性增大；在相同的缺口根部半徑條件下，V型缺口比U型缺口敏感性大，V型缺口試樣在R=0.5 mm時，NSR在0.98～1.03之間，易于出現(xiàn)缺口敏感。

(3)缺口的存在并沒有改變高Nb-TiAl合金試樣的斷裂模式，但對于缺口試樣，裂紋是從四周萌生，然后向中間擴展，四周斷口呈階梯狀，整個斷裂面凹凸起伏較大。