高壓條件下鈦合金材料組織演變及力學(xué)性能研究

（湖南勞動(dòng)人事職業(yè)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410100）

鈦元素相對(duì)原子質(zhì)量為47.9，原子序數(shù)為22，在高溫穩(wěn)定狀態(tài)下，即在880℃～1600℃之間為立方晶格結(jié)構(gòu)；在低溫穩(wěn)定狀態(tài)下，即在小于880℃時(shí)為密排六方結(jié)構(gòu)。其中前者稱之為β鈦，后者稱之為α鈦。兩個(gè)相下的常數(shù)分別為0.328μm和0.295μm。鈦材料的致密度為0.7405，具有密度小、強(qiáng)度高、硬度高、耐化學(xué)腐蝕性強(qiáng)、吸氣性能高、彈性模量低以及優(yōu)異的常、高溫力學(xué)性能等特點(diǎn)，可以很好的應(yīng)用到軍事領(lǐng)域以及化工領(lǐng)域中[1-2]。此次研究以鈦合金金相狀態(tài)為研究前提，參考現(xiàn)有的檢測(cè)方法，分析高壓條件下，鈦合金材料組織演變及力學(xué)性能。

1 提取鈦合金金相狀態(tài)特征

為了得到鈦合金材料的力學(xué)性能，采用兩種狀態(tài)的鈦合金，進(jìn)行組織演變分析。

（1）原始態(tài)組織。原始態(tài)組織下選擇的TA15鈦合金組織，其板材厚度為2mm。根據(jù)原始板材的金相組織圖像可知，此類型原始板材包括α和β兩相，其中α相的顏色較為鮮明，β相的顏色較為暗沉。同時(shí)β相主要分布在α晶界處，從板材的整體來(lái)看，呈均勻分布狀態(tài)。在高溫高壓測(cè)試條件下，鈦合金材料軋制變形，材料內(nèi)部?jī)?nèi)應(yīng)力比較大，導(dǎo)致晶粒晶界腐蝕處難以辨別，因此通過(guò)EBSD分析手段，進(jìn)一步研究鈦合金材料的微觀組織特點(diǎn)。

在原始材料的反極圖中，明確標(biāo)出α相和β相的晶粒形貌。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，TA15鈦合金組織沒(méi)有經(jīng)過(guò)充分的再結(jié)晶退火，且其內(nèi)容存在大量變形組織，因此可以斷定在高溫高壓條件影響下，軋制過(guò)程時(shí)材料發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的現(xiàn)象，當(dāng)晶界處的再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大時(shí)，又發(fā)生了塑性變形，導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生位錯(cuò)，形成獨(dú)特的小角晶界，最終形成如下圖1中（a）所示的組織形態(tài)。

圖1 原始態(tài)、退火材料反極圖

從上圖中還可以看出，許多相晶粒都為紅色，說(shuō)明原始態(tài)組織中存在較為明顯的織構(gòu)，至此完成對(duì)原始態(tài)組織鈦合金材料的金相分析。

（2）退火態(tài)組織。退火態(tài)組織下的鈦合金，要求真空退火溫度控制在900℃上，同時(shí)要求其保溫時(shí)效為24小時(shí)。當(dāng)爐冷降低至800℃時(shí)，再繼續(xù)保溫24小時(shí)。退火后的鈦合金材料組織，同樣分為兩個(gè)不同的部分，其中顏色較亮的部分為材料α相，顏色較暗的部分為材料β相。β相主要分布在晶界處且形態(tài)極為細(xì)小。與退火之前相比，材料的晶界腐蝕狀態(tài)直觀差異巨大，說(shuō)明在高壓退火過(guò)程中，鈦合金材料中的元素充分?jǐn)U散，其中α相中的穩(wěn)定元素為Al，β相中的穩(wěn)定元素為Mo和V，同時(shí)都含有中性元素Zr。軋制操作完畢后，材料內(nèi)部元素的擴(kuò)散條件不足，有一些β相中的穩(wěn)定元素，滯留在α相中，致使α相和β相的致晶界模糊不清，同時(shí)此階段種元素Mo和V向晶界處移動(dòng)，致使材料出現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象，形成退火后的穩(wěn)定等軸結(jié)構(gòu)組織，此時(shí)的β相彌散分布在晶界處。

根據(jù)退火后鈦材料的反極圖分布狀態(tài)可知，充分再結(jié)晶后的鈦合金材料，其內(nèi)晶粒大小以及分布狀態(tài)更加均勻，其晶粒大小由原始態(tài)組織下的3.2μm，增加到7.2μm，而β相含量的變化并不顯著。說(shuō)明此時(shí)的材料錯(cuò)密度狀態(tài)較低，軋制引起的變形組織，已經(jīng)被全部消除。圖1（b）所示結(jié)果，就是退火后的材料反極圖。根據(jù)（b）可以看出，退火后的材料依舊保持退火前的織構(gòu)，不過(guò)此時(shí)的織構(gòu)強(qiáng)度已經(jīng)下降，且不再產(chǎn)生新的再結(jié)晶織構(gòu)。通過(guò)上述對(duì)原始態(tài)組織、退火態(tài)組織的分析，提取鈦合金金相狀態(tài)特征。

2 計(jì)算鈦合金材料組織演變速率

根據(jù)目前的研究結(jié)果，可知高壓條件約束下，鈦合金材料組織演變速率不一，因此從兩個(gè)角度上，分析疲勞裂紋擴(kuò)展速率：一項(xiàng)為與循環(huán)載荷相關(guān)的疲勞項(xiàng)，另一項(xiàng)為保載時(shí)間及載荷相關(guān)的保載項(xiàng)，計(jì)算表達(dá)式為：

而此次研究以上述公式為研究前提，設(shè)置兩個(gè)研究角度分別為：與循環(huán)載荷相關(guān)的疲勞項(xiàng)、與時(shí)間相關(guān)的保載項(xiàng)。因此引入保載時(shí)間t，同時(shí)結(jié)合最大保載應(yīng)力水平影響裂紋擴(kuò)展速率的物理量λ，得到全新的公式：

公式中：x表示裂紋長(zhǎng)度；M1、M2分別表示與疲勞循環(huán)載荷、相關(guān)的材料常數(shù)；ΔK表示斷裂動(dòng)態(tài)變化值；ΔK1、ΔK2表示小裂紋擴(kuò)展門檻、長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展門檻值；m1、m2分別表示疲勞循環(huán)載荷、保載部分相關(guān)的，裂紋擴(kuò)展速率曲線的斜率；n1、n2分別表示疲勞循環(huán)部分、保載部分的影響能力；Kmax表示最大應(yīng)力強(qiáng)度因子；Kmin表示最小應(yīng)力強(qiáng)度因子；K0表示鈦合金材料斷裂韌性；H表示裂紋尖端彈塑性修正因子；φ1表示材料的流變應(yīng)力；φ2表示材料屈服應(yīng)力；b 表示無(wú)效裂紋值；R表示疲勞循環(huán)載荷應(yīng)力比。

通過(guò)上述計(jì)算發(fā)現(xiàn)，對(duì)于給定的應(yīng)力峰值，隨著保載時(shí)間的增加，鈦合金材料的保載疲勞壽命隨之降低，當(dāng)保載時(shí)間到達(dá)一個(gè)定值后，接近一條漸近線，由此可知，鈦合金的壽命隨著保載時(shí)間的增加而降低，但該降低不是線性遞減的，而是呈指數(shù)降低趨勢(shì)。因此為了準(zhǔn)確計(jì)算鈦合金材料組織演變速率，根據(jù)此次分析的保載時(shí)間，對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響，修正上述公式（3）公式（4）以及公式（5），通過(guò)加入與保載時(shí)間相關(guān)的參數(shù)η，加強(qiáng)上述公式進(jìn)行影響分析，可以準(zhǔn)確預(yù)報(bào)保載時(shí)間與裂紋擴(kuò)展行為之間的關(guān)系。需要注意，要求該參數(shù)η大于0小于1。

3 測(cè)試高壓條件下的鈦合金力學(xué)性能

通過(guò)上述過(guò)程，計(jì)算鈦合金材料組織演變速率，然后測(cè)試高壓條件下的鈦合金力學(xué)性能。為了保證測(cè)試結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，設(shè)置其他四個(gè)測(cè)試穩(wěn)定，高壓溫度條件分別為940℃、960℃、970℃以及980℃，同樣固溶24小時(shí)，在空冷條件下，分析不同固溶溫度對(duì)上述三個(gè)參數(shù)的影響。下表1為高壓條件下，固溶溫度為950℃時(shí)，鈦合金時(shí)效處理制度。

表1 鈦合金時(shí)效處理制度

殘余應(yīng)力消除測(cè)試中，力學(xué)性能檢測(cè)試樣的標(biāo)距為20mm。在SANS-CMT5303微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，對(duì)制備的拉伸試樣進(jìn)行檢測(cè)，將該設(shè)備的加載速度，控制在1mm/min。再設(shè)置硬度和沖擊韌性測(cè)試條件。此階段的測(cè)試在顯微硬度儀上進(jìn)行，首先將鈦合金試樣進(jìn)行打磨拋光，然后設(shè)置儀器的保荷時(shí)間為5s，加載負(fù)荷為500N，取平均值作為該試樣的硬度值，在型號(hào)為SANS–ZBC2302-4的沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行硬度和沖擊韌性檢測(cè)。表2、表3為不同固溶溫度條件下，鈦合金材料的微觀組織變化情況。

表2 不同固溶溫度下的鈦合金微觀參數(shù)變化（一）

表3 不同固溶溫度下的鈦合金微觀參數(shù)變化（二）

根據(jù)表1與表2中的數(shù)據(jù)可知，高壓條件下，固溶處理的冷卻速率和固溶溫度，影響鈦合金強(qiáng)度和塑性，同時(shí)也影響鈦合金沖擊韌性。至此在高壓條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)鈦合金材料組織演變及力學(xué)性能的檢測(cè)與分析。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)家各項(xiàng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)，對(duì)于鈦合金的利用范圍、利用方式以及利用效率，都在不斷增加，因此對(duì)于具有鈦合金硬件、結(jié)構(gòu)等設(shè)備的保護(hù)是十分必要的。此次研究通過(guò)上述分析過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了在高壓條件下，對(duì)鈦合金基本性能的研究。此次研究的創(chuàng)新性，針對(duì)鈦合金材料的保載疲勞裂紋擴(kuò)展行為，進(jìn)行了詳細(xì)分析，通過(guò)裂紋擴(kuò)展速率計(jì)算公式，獲取影響鈦合金組織演變的基本參數(shù)，為測(cè)試材料力學(xué)性能，提供更加全面的研究數(shù)據(jù)。今后的研究工作中，可以在水下進(jìn)行測(cè)試，同樣滿足高壓測(cè)試條件，為鈦合金材料的制備與設(shè)計(jì)，提供多樣化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。