（材料加工工程专业论文）ti4o新型阻燃钛合金疲劳裂纹扩展行为研究.pdf

攮要 攘娶 t i 4 0 合金韪我国针对航空发动机钛结构件在商锨 受摩擦条件下易燃问题 焉臻剿豹一辩裁整疆攥舍龛 其名义成揆为 鞋乏5 v 1 5 c r x s i 金蠢 系绫地讽 识周期栽荷下啊4 0 合金的疲劳裂纹扩展行为对于航空结构件的损伤容限设计具 毒重要指导意义 本文以工程应用为背景 对t i 4 0 含金在不阉温度 频率和魔 力比下的疲劳裂纹扩展行为进行了较为系统的研究 揭示了台金疲劳裂纹扩展 的现象和规律 玲析了不同载荷条件影响t i 4 0 合金疲劳裂纹扩展行为的本质原 固 主要壤褥熊研究结祭如下 1 在赢温 6 0 0 范围内 随温度升高 t i 4 0 台金疲劳裂纹扩磁速率增大 p a r i s 公蕊孛的鬻数e 谴增趣 m 馕降糕 不同湿度 f 的裂绞扩餍曲线在a k 为 4 5 5 m p a 和裂纹扩展速率为1 8 5 1 0 3 m m c y c l e 时相交于一点 该点是 t i 4 0 合金癌势裂纹扩展机制同时由不完全韧性扩展机制向完全韧性扩展桃 割转变的避渡点 2温度对t i 4 0 合金疲势裂纹扩展行为的影响主要灏予温度对其弹性模量 屈 瑕强瘦 翱嬖耋谴的影嫡纛台金裂壤区静戴佬 敲宣溢到3 0 0 醚瀑艇拜裹 t i 4 0 合金的屈服强度和弹性模最降低而断裂韧性升高 从而导致疲劳裂纹 扩展速率变化不明显 两从3 0 0 6 0 0 随激度的炙琏氧化如剧 使台 金疲劳裂纹扩展速率避现显藩升高的越势 t i 4 0 台金的裘观激活能随温度 升高而增大 但5 0 0 队后袁观激活能的变化很小 表明5 0 0 可能是刊4 0 台垒一些链葳 范秘熟力警方露弱牲臻等 发生囊 二豌转辑矗 3 f i 4 0 合金的组织特 谯无法为冀疲劳裂纹扩展提供明显的阻力作用 但在物 理性 嚣 力学性 l 上抟优势使褥t i 4 0 合金在室瀣下的裂绞扩展速率低于具 有片层组织的02 1 s 台金 但与各种遇火状态下具有片屡组织的t i 6 a 1 4 v 台金相比 t i 4 0 合金的物理和力学性能不占有明是的优势 因此裂纹扩展 遴率高子t i 6 a 1 4 v 合金 高温下t i 4 0 台金易于氧纯 潮此6 0 0 ft i 4 0 合盒的裂纹扩展速率还略快于6 5 0 下口2 1 s 的裂纹扩展速率 4 颞枣越小 t i 4 0 舍金毂疲势裂绞扩羼速率熬走 不过在室潺f 当 k 1 5 m p a m 时 频率从1 h z 到2 0 h z 裂纹扩展速率变化很小 当 麓 1 5 m p a 4 m 时 猩频率为l h e 的附近 表现出的是周期 一时蚓拥关性 受频率的彰晌鞠显 在1 0 h z 2 0 h z 荆近 表现出的是璃期稆关蟪 对额 翠的变化不敏感 5 0 0 时 在a k 1 0m p a m 时 仁l 的裂纹拶展速率 西北工业大学工学硕士学位论文 明显高于卢1 0 h z 的裂纹扩展速率 5 室温下 频率对t i 4 0 合金裂纹扩展速率的影响主要和取决于裂纹尖端载荷 方向上应变幅或粘 塑性应变幅的大小 频率越低 相同a k 下应变幅或粘 一塑性应变幅越大 裂纹扩展速率就越高 5 0 0 时 氧化成为频率影响 t i 4 0 合金裂纹扩展行为不可忽略的因素 低的频率会导致裂纹尖端区域在 环境中的暴露时间增加 渗氧层中的氧化物钉扎了位错的移动 使裂端部 位材料的屈服强度升高 高的屈服强度使得在应力变化幅相同时 应变幅 或粘一塑性应变幅度降低 从而当频率从1 0 h z 降到t h z 时裂纹扩展速率 增大值与室温相比变小 即t i 4 0 合金在高温时裂纹扩展速率对频率的敏感 性与室温相比减弱 6 应力比对疲劳裂纹扩展行为的影响在于不同应力比对裂纹尖端区域应力场 的影响不同 而表征裂纹尖端应力场的参数a k 和k 对裂纹扩展速率的 贡献是不同的 对t i 4 0 合金而言 应力比在o 1 到0 5 范围内变化时 a k 和k 共同控制者裂纹的扩展 但a k 对裂纹扩展速率的影响更大 当应 力比增加到o 8 以上时 k 是导致t i 4 0 合金裂纹扩展的关键因素 7发现了室温下裂端 反向塑性区 不存在的现象 和k s a d a n a n d a 等人用理 论推出的结论相同 表征控制t i 4 0 合金疲劳裂纹扩展机制的 轨迹陶 中 的曲线特征和其它钛合金相似 只是1 5 4 0 合金的轨迹线向k 轴偏转得更 强烈些 暗示了t i 4 0 合金在疲劳裂纹扩展过程中更易受到氧化腐蚀的影响 裂纹以刻面机制进行扩展的时间更长的特性 这和试验结果完全相符 关键词 t i 4 0 合金 疲劳裂纹扩展速率 温度 应力比 频率 a b s t r a c t t i 4 0a l l o yi san e wb u r nr e s i s t a n tt i t a n i u ma l l o yd e s i g n e df o ra e r o e n g i n ei nc a s e t h et i t a n i u mb u r n i n gu n d e rf r i c t i o na th i g ht e m p e r a t u r e 1 1 sn o m i n a ic o m p o s i t i o ni s t i 2 5 v 15 c r x s i s t u d yo ft h ef a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o n f c p b e h a v i o r si s m e a n i n g f u l 南r 龇d a m a g et o l e r a n c ed e s i g n i n go fc o m p o n e n t su s e di na i r p l a n e c o n s i d e r i n gt h ep r a c t i c a lu s e e x p e r i m e n t sh e r ea l ea b o u tr e s e a r c h e so nf c p b e h a v i o r so ft i 4 0a l l o y 越d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s f r e q u e n c i e sa n ds t r e s sr a t i o s r e s p e c t i v e l yt h ep h e n o m e n a a n dr e g u l a t i o n so ff c pb e h a v i o r sa r er e v e a l e da n dt h e e s s e n t i a lr e a s o n sf o r 出ee f f e c t so fd i f f e r e n tl o a dc o n d i t i o n sa r ed e t e r m i n e da n da t t h es a m et i m e t h et h e o r i e sa n dv i e w su s e di nd e a l i n gw i t he x p e r i m e n t a ld a t aa r e 越s ov a l i d a t e d r e s u l t sa r ed r o w na sf o t l o w s 1 t h ef c pr a t eo f t i 4 0a l l o yi n c r e a s e sw i t hi n c r e m e n to f t e m p e r a t u r ef r o mr o o n l t e m p e r a t u r et o6 0 0 2 t h em a t e r i a lc o n s t a n tp a r a m e t e r s ca n dm i np a r i s f o r m u l ai n c r e a s eo rd e c r e a s em o n o t o n o u s l y t h ef c pr a t ec u r v e sa td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e sc r o s s ea tap o i n t a tw h i c ha ki s4 5 5m p a m a n dd a d ni s 1 8 5 1 0 3m r r g e y c l e i ti st h ep o i n tt h a tt h em e c h a n i s mc o n t r o l l i n gt h ef c p b e h a v i o ro f t i 4 0a l l o yc h a n g e sf r o mi n c o m p l e t ed u c t i l i t yt ow h o l ed u c t i l i t y 2 e f f e c l so f t e m p e r a t u r e so nt h ef c ph e h a v i o u r so f t i 4 0a l l o ya s eo f t h ee h a n g e s o f e l a s t i cm o d u l u s y i e l ds t r e n g t h t o u g h n e s sa n dt h eo x i d a t i o n 就t h et i po f c r a c k f r o mr o o mt e m p e r a t u r et o3 0 0 t h ed e c r e a s eo fy i e l ds t r e n g t ha n de l a s t i c m o d u l u sa n dt h er i s eo f t o u g h n e s sc a u s el i t t l ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ef c pr a t ea t r o o mt e m p e r a t u r ea n d3 0 0 c f r o m3 0 0 ct o6 0 0 c t h ei n f l u e n c eo f o x i d a t i o n i ss t r o n g e ra n ds t r o n g e r s ot h ef c pr a t e so ft i 4 0a l l o yi n c r e a s es i g n i f i c a n t l y t h ea p p a r e n ta c t i v ee n e r g ya l s oi n c r e a s e sw h e nt e m p e r a t u r er i s ew h e r e a si t c h a n g e su n p e r c e p e r t a l yw h e nt h et e m p e r a t u r ei sh i g h e rt h a n5 0 0 c a l lt h e s e i n d i c a t et h a t5 0 06 ci so fat r a n s f o r m a t i o np o i n tf o rs o m ep r o p e r t i e so ft i 4 0 一l l f 氆北 监太学工学疆土学位诧r a l l o y 3 t h em i c r o s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so ft i 4 0a l l o yo a n n o tb r i n gt h ee f f e c t i v e r e s i s t a n c et of c pr a t e w h i l ei t sg o o dp h y s i c a lp r o p e r t i e sa n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sm a k et h ef c p r a t el o w e rt h a nt h a to f l 3 2 i s c o m p a r e dw i t ht i 6 a 1 4 v a l l o yw i t hl a m e l l as t r u c t u r e t h e r ei sn op r e d o m e n t a n c ef o rt i 4 0a l l o yi n p h y s i c a l p r o p e r t i e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s w h i c hi n d u c e sc o m p a r a t i v e l y h i g h e rf c pr a t et h a nt i 6 a 1 4 v w h e nt h et e m p e r a t u r ei sh i g h t h es t r o n g e r o x i d a t i o no ft i 4 0a l l o yl e a d st oal i 链l eq u i c k e rf c pr a t ea t6 0 0 ct h a nt h a to f 1 3 2 1 sa t6 5 0 棼啊 l o w e rt h ef f e q u e n e nt h eh i g h e ri st h ef c pr a t eo f 1 7 1 4 0a l t 0 3 za tr o o m t e m p e r a t u r e f c pr a t ec h a n g e dt i a l ew i t h 疔e q u e n c yi n c r e a s i n gf r o m 1h zt o 2 0 h z w h e n a k i s l e s s t h a n l 5 m p a w h e n k i sh i g h e r t h a n l 5 m p a 石m m i t a p p e a r sc y c l e m t i m ed e p e n d e n c eu n d e rt h ef r e q u e n c yo fa b o u tlh za n da p p e a r s c y c l ed e p e n d e n c eu n d e rt h ef r e q u e n c yo fa b o u tt 0 h z w h e n t h et e m p e r a t u r ei s a t5 0 0 t h es e r t s i t i v i t yo f f c pr a t et ot h el o a d 矗e q u e n c yd e c r e a s e s 5 确ee f f e c t so ff r e q u e n c yo nt i 4 0a l l o y sf c pb e h a v i o u rr e s tw i t ht h ec h a n g eo f v i s c i d i t y p l a s t i c i t ys t r a i nr a n g e l h el o w e rt h ef r e q u e n c i e st h em o r ei m p o r t a n t l y d ot h es t r a i nr a n g ea n dv i s c i d i t y p l a s t i c i t ys t r a i nr a n g ep l a yt h er o l ew h e nt h e t e m p e r a t u r ei sa t5 0 0 y 7 o x i d a t i o ni se s s e n t i a lf o rt e f f e c to ff r e q u e n c y o nf c p r a t eo ft i 4 0a l l o yt h em a i nr e a s o ni so x i d a t i o nw i l ll e a dt oh i g hy i e l ds f r e n g t h a n dt h e nd e c r e a s e st h er a n g eo fs t r a i na n dv i s c i d i t y p l a s t i c i t ys t r a i n w h i c hi st h e r e a s o no f t h el o w e rs e n s i t i v i t yo f f c pr a t eo f t i 4 0a l l o yo n 矗e q u e n c y mt h ee f f e c to fs t r e s s r a t i oo nf c pr a t eo f t 4 0a l l o y i so f t h ed i f f e r e n t t r e s s f i e l d a c c o r d i n gt o v a r i o u ss t r e s sr a t i o sa ka n dk m p l a yd i f f e r e n tr o l eo nt h e c o n t r i b u t i o nt of c pr a t e f o rt i 4 0a l l o y w h e nt h es t r e s sr a t i oi sf r o m0lt oo 5 a ka n dk m c o n t r o lt h ef c pr a t et o g e t h e ra n da ki sm o r ei m p o r t a n t w h e nt h e s t r e s sr a t i oi sa b o v e0 8 k b e c o m et h em o s ti m p o r t a n tr e a s o n c r a c kg r o u c h i v a b s t r a c t t r a j e c t o r y o fm a ps h o w sc l e a r l yt w om e c h a n i s mo fc o n t r o l l i n gf c po ft i 4 0 a l l o yw h e ns t r e s sr a t i oi sd i f f e r e n t w h i c h p l a i nt h ed i f f e r e n tc o n 谨i b u f i o nt o f c pr a t eo fa ka n dk m n mc h a r a c t e ro ft h ec h i v e si nt h em a pi ss i m i l a rt o t h a to fo t h e rt i t a n i u m j u s t 啦ed e g r e eo ft h ed e v i a t i o nt ok m 8a x i si ss 枉o n g e l t h i sp h e n o m e n o ni n d i c a t e st h a tt i 4 0a l l o yi se a s i e rt ob ea f f e c t e db yo x i d a t i o n a n d t h e t i m eo f f c p b y t h e m e c h a n i s m o f f a c e t i s l o n g e r 7 1a c c o r d i n g 协t h ef e a t u r e so ff c pc u r v e su n d e rd i f f e r e n ts t r e s sr a t i o sa tr o o m t e m p e r a t u r e n o n e x i s t e d r e v e r s ep l a s t i ca e r a a tc r a c kt i pi sf o u n d w h i c hi s t h es a m ew i 也t h ec o n c l u s i o nd r a w nb yk s a d a n a n d ae ta t k e yw o r d s t i 4 0a l l o y f a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o nr a t e t e m p e r a t u r e s t r e s sr a t i o i e q u e n c y v 嚣北l 毁犬学王学壤士学位论文 本文的主要戗灏与贾黻 善次系统磺究了具有笛辘晶缝织鹣稳定8 镰舍金懿疲劳裂纹斋 鹱髫菇 揭 示了温度 频率和应力比对t i 4 0 台套疲劳裂纹扩展速率的影响规律和机理 1 发现不同温度下t i 4 0 台金疲劳裂纹扩展曲线在a k 为4 55 m p a m 和裂纹 扩袋速率为1 8 5 l m r e d c y c l e 时交予一点p 并揭示了该点是q 5 4 0 合金 疲劳裂纹扩展同时由不完全韧性机制向究全韧性扩展机制转变的过渡点 2 发瑗t i 4 0 台衾在室漂下 当a k 1 5 m e a 4 m 靖 疲劳裂蔽扩蓑速率受频率 影响很小 当a k 1 5 m p a m 时 在频率为l h z 的附近 疲劳裂纹扩展受 频率的影响明显 表现出的是髑糍一时间相关性 在1 0 h z 2 0 h z f 近 对额率的变纯不敏感 表现出蚋是周期捅关性 5 0 0 时 在a k 2 1 0m r a d z n 时 卢i h z 的裂纹扩膨速率明显高于卢1 0 h z 的裂纹扩展速率 3 揭示了t i 4 0 套金当应力毙在o 1 到0 5 藏强蠹变纯时 囊纹尖端嚣域应力场 中的a k 和k a x 共同控制着裂纹的扩展 像a k 对裂纹扩展蟪率的影响更大 当斑力比增加到0 8 以上时 k 是导致t i 4 0 台金裂纹扩艇的关键因素 t i 4 0 合金的疲劳裂纹扩展行为受易受氧化腐蚀韵影响 刻蔼机制是控制t i 4 0 合企疲劳裂纹扩展的黛要机制 4 蓄浚在稳定 钛台金巾发现了裂端 爱囱塑注区 不存在豹琥象 第1 章绪诡 1 12 1 2 程背聚 第1 肇绪论 2 0 世纪5 0 年代年代以来 钛合金开始受到人们的关注 它所具有的商比 强度这一特性使人织在飞壤发动撬篱 造中爨愿意选掭镀台金 钛舍金在蜣代款 燃气涡轮发动机中主要用于制造压气机和风扇的盘件 叶片以及压气机机匣 外涵道壳体 轴承壳体 尾喷口调节器等 所占重爨露分比可达3 0 其中压 气机怒钛舍金键翔最集中豹部件 其重量占蹩个发动枫用镀合盒重量酌9 5 i 通过多年来在设计上的不断改进和对发动机推重比鬻求的不断提高 艇气机的 出日瀑疫已经上舟裂5 0 0 c 0 0 c 在工终环境湿攫不断舟离的 主嚣下 镀台 金的使用受到了限制 原阂之一是钛合金在商温下经蹙离速摩擦时会越火燃烧 影响钛台金起火燃烧的因素很多 包括样件厚度 台金戍份秘环境困紫等 出 于发动机苛刻静使用环境不能改变 零侔尺寸也报难变化 嗣此 从含金成份 设计出发研制一种不易燃烧的钛合金成为解决这一问题的重鬻方法 也是先进 发惫裁成功研镑l 静关键之一 针对这一闯题 八十年代末 九十年代初 美豳和俄罗斯分别研制出了不 易燃烧的a l l o y c t i 4 5 n b 和b t t 1 b t t 3 等钛会金 其中 t i 一4 5 n b 是美 国t w c 公司研制的一种商用阻燃钛合金i i j 主要解决高压釜用钛含金的燃烧问 题 并已应用予高压釜的放气阀 氧气管和蒸汽喷嘴 a l l o y c 是美阐p r a t t w h i t e y 移t e l e d y n ew a hc h a n g ea l b a n y 两家公司联合研铺毫的 名义成份为 t i 3 5 v 1 5 c r 的钛合金 用于f 2 2 飞机的f 1 1 9 发动机的尾喷管和加力燃烧室 已于t 9 9 3 年戏功进萼亍了飞行试验e t 3 l 嚣饿罗簸靛窑糖料辑兖院剽觚黪擦凝利 入手蕾阡制出了t i a 1 c u 舔的阻燃钛合金b t t 1 和b t t 3 以上研制的阻燃钛合 金的燃点均比t 6 a 1 4 v 台金离3 0 0 c 以上 为了满廷我国研制商推眈 黼性能先进发动帆韵簧求 我国子二十赶纪9 0 年代初也开始了阻燃钛合金的研制工作 先后确定了两种体系的钛合金 曩 a i c u s i 系靛髓 4 台垒霸叠 v c r 系煞戢4 0 台金 嚣秘合金燕然疆燃祝理不 完全相同1 4 j 但都具有良好的阻燃性能 其中 t i 4 0 台金是具有国际先进水平 的颓型菇稳定8 铁合金 镏当量为4 7 合金元素食量为4 0 一量开坯螽加工 成型惶好 使用温度为4 0 0 z 5 5 0 它的研制连续得到了围家 九珏 十五 项目的重点支持 已在变形机理 阻燃机理 l 高濑氧化机理 6 o 组织与性 曲北工业太掌1 掌蛾士学位论义 能关系p 1 等方面做了大量的研究工作 对此合金的一些特性已经形成了较为系 统的认识 但是还应看到 作为将在发动机中使用的高温合金 全面 系统的 认识周期性载荷下台金的疲劳累积损伤行为也是一项十分重要的工作内容 必 须进行深入 细致的研究 1 2 疲劳和疲劳裂纹扩展行为 1 2 1 疲劳的认识过程 第一次认识到疲劳破坏是1 9 世纪4 0 年代铁路车辆轮轴在重复的交变载荷 作用下发生了破坏 因为当时还不能够正确解释这样的破坏从而提出了 材制 由于振动引起的结晶变化导致了破坏 的错误概念 并开始使用 疲劳 这一 名词来描述这种破坏 1 9 世纪5 0 年代至6 0 年代 德国工程师a u g u s tw 6 h l e r 第 一次系统的进行了疲劳研究 提出了 应力幅增加 疲劳寿命降低 应力幅低 干某一极限值时 试件不会发生破坏 的观点 他最先引进了s n 曲线和疲劳 极限的概念 并明确指出 应力幅比构件承受的最大应力更重要 随后 g e r b e r 等人研究了平均应力对疲劳寿命的影响 j o h ng o o d m a n 提出了考虑平均应力 的简单理论 2 0 世纪初 人们使用光学显微镜观察到了局部滑移现象 发现是 局部滑移导致了微裂纹的形成 2 0 年代 英国国家物理实验室的g o u g h 和他 的同事在疲劳机理研究方面做出了重大的贡献 1 9 2 4 年在伦敦出版了第一本系 统研究疲劳的书一 金属的疲劳 1 9 2 0 年 aag r i f f i t h 提出了名义断裂应力 和裂纹尺寸的理论公式 成为现代断裂力学的基础 1 9 2 9 一1 9 3 0 b rh a i g h 利 用缺口应变分析和残余应力的概念合理解释了高强度钢与低强度钢缺口试件疲 劳性能的不同 提出了改善疲劳抗力的一种实际方法 1 9 4 5 年 mam i n e r 在ap a l m g r e n 工作的基础上提出了线性累计疲劳损伤判据 现称为p a h n g r e n m i n e r 理论 简称m i n e r 理论 这一理论尽管还存在着许多缺点 但至今仍是 疲劳寿命预测的一种重要方法 第一架喷气式客机 彗星号 在1 9 5 2 年的失 事让人们意识到了高载荷循环引入的残余应力可以降低材料的疲劳寿命 同时 期 闭环电液伺服试验机开始使用 更好地模拟了试验件 构件或结构的实际 载荷历程 使疲劳研究向前迈了一大步 电子显微镜的使用为进一步弄清疲劳 机理开辟了新的途径 二十世纪5 0 年代 gri r w i n 还提出了应力强度因子k 的概念 为线弹性断裂力学段疲劳裂纹扩展寿命的预测奠定了基础 二十世纪 6 0 年代初 最著名的塑性应变幅和疲劳寿命之问的m a n s o n c o f f i n 关系被提出 成为现代缺口应变疲劳分析的基础 与此同时 r cp a r i s 和他的同事e r d o g a n 辫 孽绪论 指出裂尖区域鹿力场中的应力强度因子幅决定了材料裂纹扩展的速率 提出 r 现今r h 泛使用豹p a r i s e r d o g a n 公式 经过几十年的发展人们已经认识到断裂力学是研究结构和构件疲劳裂纹扩 展有力藤现实靛工疑 姜觅代断裂力学理论豹或就藕工黢实际的遗切需要 促进 了疲劳繇裂研究豹迅速发震 势r i c e 静疲劳袋绞扩麓力学分辑 1 9 6 7 e l b e r 的裂纹闭台理论 2 0m p a x m 时 这些氧的影响仅在统计学上具有重要意义 4 相似地 氢含量以及吸氢也会对钛合金的裂纹扩展有明显的影响 c h e s n u t t 等 人研究报道了含氢量对t i 6 a 1 4 v 台金的影响 氢含量高 则裂纹扩展速率加 快 4 4 l 出乎意料的是 化学环境 如 水环境 盐水环境 燃料环境等 的影 响并不大于氧化环境所具有的影响 钛合金 如 t i 6 a 1 4 v 盆金 在潮湿空气 中的裂纹扩展速率和干燥空气中相比 差别并1 二明显 只有较恶劣的环境 如 蓐l 章绪论 盐水环境 才会使疲劳裂纹扩展速率提高一个数量级或更多 而机械豳索 如 频率 在其中越嚣羧大纯学拜境影躐熬痒镯1 4 r l 坪羲对近翔掇篷辩透的疲劳裂 纹增长速率的影响相当大p l j 在晶体学织构的影响方匿 与铝合金穗比 链台会的裂纹扩展速率对成品 形式和位向较敏感 s t u b b i n g t o n 5 3 和b o w e n l 5 4 均研究结果表明 具有某种稳固 织构的t i 6 a 1 4 v 合金 谯l s s l t s 方向p a r i s 方程中的n 是l t s t t l 方淘的r t 蕊豹2 倍多 两盈断秘形羲也镪显不鞠 这表明 绞掏对毓合金 裂纹扩展的影响确实是明驻的 在影响裂绞扩展戆掇械因素墨 最霉磷究的是载豌篦r 秘频率f 对裂纹扩 展的影晌 b e y e r 等人遵过研究负的应力比对t i 8 11 t i 6 2 4 2 和t i 6 2 4 6 合金影 响得出 r 值越负 裂纹扩展速率越低1 5 但某些粪室中的骥4 试数据也发现这 静彭嫡有畦候并不存在i n t 频率的影响燕复杂的 强是一般来说 降低频率可 以提筒裂纹扩展速率 很弗人在研究了t i 6 a 1 4 v t i 8 1 1 t i 6 2 4 2 和t i 6 2 4 6 等 舍金在不羁拜境下频率对它弼数影豌霹发瑗 频率辩裂绞扩鼹鹰畦影嗡较太 但有时的影响却是可以忽略的 没有一个统一的规律 现在的很多研究 如文 献 5 大都将频率的影噙归于氢 氧和腐蚀环境等必素的作潮 随着人稻辩疲劳阚藏韵研究熨翔深入 处理方法更热完褡 考虑霹索更托 全面 对各因素影响材料疲劳的本质和特征将有更加正确的认识 研究疲劳的 理论粒方法氇将寄更广泛游发曩稳转撵 1 4 本文研究内容的相关问题 1 4 1 存在的问题和研究本文内容的必瑟性 t i 4 0 台金燕强内近年来研制翁一种将谯飞税发动税上覆鲻的新登合金 对 其疲势这一力学行为的研究是必臻丽迫切的 研究结果在今后的实际使用中将 其毒羹要瓣参考铃毽 虽然撵辩懿疲劳彝寿念磷究一蠢是工程器 力学 冶金 材料等领域研究的热点之一 但纵蕊几十年的研究看到 由于各种原圜 人们 更多的致力予钢 镍基台垒 铌基台金 铝会金以及钛铝合金等材料的裂纹扩嶷 速率磷究 对钛台金的研究稿对较少 对高渝钛合金研究更少 只局限手 少数几 种近a a p 和亚稳1 3 钛台金 而t i 4 0 合金虽然也将在高温下使用 似出j 二践 含金可癌于稳定 毓含金一类 并疆由于壤蠲功 l 上瓣特殊要求 英瘟舜 揍态为 等轴组织 关于这种含金的疲劳裂纹扩展行为的全面研究还没韵开展过 另 r 方西 从裂纹扩展行为特性e 看 疲劳裂纹扩展行为对具体材料 具 西北t 业大学工学硕士学位论文 体工作环境都有较强的依赖性 因此现有合金的裂纹扩展行为的分析结果难以 为t i 4 0 台金的工程应用提供合适 有效的指导 对t i 4 0 这种新型高稳定b 铋 合金裂纹扩展行为进行研究 不论是对钛合金疲劳领域的数据积累和扩充还是 为今后的工程实际应用都具有重要的意义 因此 正确揭示t i 4 0 合金在疲劳裂纹稳定扩展阶段 i e 5 1 e 3 m m d c y c l e 的特性行为是一项必要而有意义的工作 本文将研究环境温度 平均应力 载 荷频率对t i 4 0 合金疲劳裂纹扩展行为的影响 从而掌握其裂纹扩展的基本规 律 深入了解疲劳裂纹的扩展机理 为将来在工程上实际应用时对t i 4 0 合金使 用寿命的评估提供可靠的理论依据 1 4 2 试验结果处理方法及依据 自2 0 世纪8 0 年代以来 国外对材料疲劳裂纹扩展行为的研究和解释着重 于从材料物理量角度出发或利用断裂力学参数深层次的发掘各种条件如温度 频率和应力比等对材料裂纹扩展行为影响的主要原因 对裂纹尖端区域材料显 微组织结构的变化 比如位错结构 和裂纹扩展行为的关系虽有所研究 但还 很不成熟 对于在整个裂纹扩展阶段 断口各部位的不同形虢 l t 如刻面 条带 等 人们现只停留于将其与裂端材料韧性和外界环境的影响相联系 平 i 研究组织 形貌对裂纹扩展的影响一样 比如钛合金中的片层组织 主要作为对试验结果 的一个验证手段 而对断口形貌的形成机理仍处于研究 探索阶段 因此 本 文对此次试验后试样的断口组织和材料裂端区域其它显微组织的变化也不做详 细的研究和解释 对t i 4 0 合金在不同温度 不同频率和不同应力比下裂纹扩展 数据进行处理后 从相关物理量角度出发 比如从弹性模量 屈服强度 裂端 应变速率 裂端粘塑性应变速率等角度出发 或利用一些断裂力学参数揭示温 度 频率和应力比对t i 4 0 合金裂纹扩展行为影响的本质原因 这与当代研究材 料疲劳裂纹扩展行为的主流方法是一致的 0 兰 耋釜兰兰冀釜耋鋈 2 1 避验方案 第2 掌材料及试验方法 根据t i 4 0 龠盒的特点 结合实际工作环境 分别研究频攀 应力比和温度 对其疲努裂纹扩矮 亍为鲍菇嚷 篡俸方案魏下 1 在频率不变 声i o f l z 翡 条件下 分别进行室温 3 0 0 c 5 0 09 c 6 0 0 1 2 的裂纹扩展试艘 2 分g d 进行 室温下频率为l h z 1 0 娩 2 0h z 的裂纹扩展试验葶n5 0 0 c 下 频率为i h z l oh z 的裂纹扩袋试验 f 3 分剐避行室温下应力眈为0l 积0 8 的裂纹拶醒试 验和5 0 0 下 臆力比为0 1 0 5 0 8 0 9 的裂纹扩展试验 2 2 试验用材料 2 2 1 骶秘台衾懿纯学残徐鞫褶美维织 交攀往髓 试验材料从t i 4 0 合念轧环上切取 其化学成份和其相对岔最列于袭2 1 袭2 1 试验j 制t i 4 0 台金韵化学成份 t a b l e2 ic h e m i c a lc o m p o s i t i o no f t i 4 0a l l o yb e i n gt e s t e d 元素 t iv c rs iof e 重量自玲比 余2 5 1 5 o 3 60 0 70 0 8 t i 4 0 合金经图溶时效热处理箭的典型盎相组织如图2 1 a 所示 筹轴晶粒 为台愈 摆基体 鑫粒尺寸在1 0 0 9 u a 2 0 0 m 之闻 舞赛鲴窄 晶蠹静 篓点 为少量弥散分布的析出桐 其透射电镜衍射斑点的标定结果盟示 圈2 m l b 和 2 l c 主要是以t i s s i 3 为多数的娃化物混合相1 5 7 晶界上的析出相和晶内相 似 两瓣还有d 褶 圈2 1 d t i s s i 3 霸8 籀帮是密撼六方结构 稆对予基体 相而苦为硬 脆相 但由于在合套中的析出细小 分敝 含量又少 它们的存 在只筑暹过对t i 4 0 合金鼹骚强痊懿影嫡使台金豹疲势裂纹扩矮速率发生变纯 而不能像片层组织那样通过不同的相结构和相界面的阻力作用对裂纹的扩展产 生影响 在台金氧化方面 鞭据文献f 8 t i 4 0 台金的氧纯在4 5 0 以下穗对狠弱 6 0 0 时最为严重 高温下比一般高温钛台金更易氧化 如 合愈e p 的 西北 丁业大学工学硕士学位论文 i m l 8 3 4 i m l 6 7 9 b 合金中的b2 1 s 等 t i 4 0 合金在5 0 0 c 以上 包括5 0 0 c 的氧化特性对疲劳裂纹的扩展性能是不利的 与t i 4 0 合金裂纹扩展速率相关的力学 物理性能如表2 2 所示 a 金相组织 c 透射电镜晶界组织 b 透射电镜晶内组织 d 晶界析出物衍射斑标定 图2 1t i 4 0 合金经s t a 热处理厉的典型组织 f i g2 1r y p i c a lm i c r o s t r u c t u r e so f h e a t t r e a l e dt i 4 0a l l o y 表2 2 试验j t i 4 0 台金相关力学性能 性能室温 3 0 0 0 c5 0 0 0 c6 0 0 0 c 屈服强度o m p a 9 7 57 2 56 9 26 6 0 弹性模量e g p a 1 0 49 589 08 7 断裂韧性k m p a 鬲 3 58 01 1 05 0 蠕变强度 m p a 3 2 0 2 0 0 h 后残余应变02 2 第2 霉蕊虢毒于豁投宵溘 献袭2 2 审番到 获窳瀛剽3 0 0 ct i 4 0 台金的嚣黢强凌下簿辐魔最大 这 2 5 0 m p a l l i 姿滠度懿续势高强6 0 0 c 霹 矮鞭强瘦仗院3 0 0 c 对蹲l 螽了6 5 m p a 鼓塞滠羁6 0 0 c 弹蛙模爨驻滠寝秀裹政变狠毒 6 0 0 c 辩熬弹牲摸 爨翻室滠期 磁投 f 酶了1 7g p a 巍一般 镀含金蒙82 1 s i i i c t i t 0 2 3 簿扶窭 瀑野副5 0 0 v 2 鞭上时 弹谯横餐矮鬻帮辩蠛3 0 0 p a 以主 t i 4 0 台金鹣颧裂钢 瞧褒不鼹溺霾下燕秀较大 献察澡翻5 0 0 c k l c 飚 瀑囊蠹蘸罐搬莰抉 秘兰鑫 瀑黢继续舞糍秘6 0 0 潜 k e 德砉 下臻到5 0 0 甜麓一半 黼2 lf 卜 c 中韵 室滋 5 0 0 积6 0 0 下奈金x l c 菠弹鞭 形虢瞧诬蜜了这一点 麸黧2 继 上 霉至 室滠下会袅鞭裂蘩零都沿蔫是葬送行 露5 0 0 c 辩f 图2 l 国 懿鞲裂酃是穿 鑫豹 断疆上凑满7 翔鬻 当瀑菠舞到6 0 0 对 凝露剃是潦鹣 穿鼎缀合酝裂 形藏 穿磊黻装部经 的麓窝浅平 显示照会惫程6 0 0 下托5 0 0 瓣鞠显低 豹耘链 麸褒2 2 还可班羲剥 t i 4 0 会盒程5 0 0 下 当应宠为3 2 0 m p a 对 载蓊持续2 0 0 l 时嚣台金弱残余疲变玟梵0 2 捌藏可以认为低予5 0 0 c 短辩潮痰 襞绞扩壤持续对瓣 j 予等予4 h t i 4 0 合金笈鬟兰簿恋臻变麴霹携 犍皴小 上述t i 4 0 台金在不强懑瘦下力学 物疆犍貔豹交纯酶点馊褥t i 4 0 食垒撼 熬獒露等辘瑟缀织劳飘耪予氧他 毽和其它8 合愈鞠毙 勰滚时仍然媒持了 骐 蠢竞争力熬鬣豹裂绞扩聚速率 汹塞瀑 鞠2 2t i 4 0 台袅不同瀑璇 f 稿性赫翻形藕 蟪 2 2m o r p h o l o g yo ff r a c t u r et o u g h n e s s s u r f a c e sf o rt i 4 0a l l o y 锹d i f f e r e m t e m p e r a t u r e s 露乾王盈走拳 学醢二t 举经避立 2 2 2 斌樽的制簧 根攒t i 4 0 合袅环件在实际使埔时的主要受力情况之一和环件的轧制流线方 向 圈2 3 按囤2 3 所示切取裂纹扩展试样若干 为使测试结聚具有较高的安 全系数 取裂纹豹扩展方淘为裂纹扩震疆力娥低静方向 即数爱绞西鞠法线方 向为环件的弦向 选择试样类型为爨凑拉伸样 c t 样 形状和尺寸见图2 4 馨选择l 型裂纹必磅究对象 疲劳裂纹颈袭长度丈予等于l m m 开槽 图2 3 椒样示意图蚓2 4 紧凑拙伸试样尺寸幽 f i 9 2 3 i l l u s t r a t i o n o f g e t t i n gs p e c i m e n sf i g 2 1 4f i g u r ea n ds i z e o f c o m p a c t t e n s i l es p e c i m e n 2 3 诚验用仪器 疲势裘绞扩嚣试验在羹国穗 公司生产麓羰撬控测毫渡镯暇静动态糖精试 验机m a y e s 5 0 e 上进行 并使用i n s t o m 公司提供的l l 己套软 牛及硬件 包括引 审计 滠攫控制竣簧等硬静 进行控制 试验嘉的试群 采用o l y m p u sp l v t g 3 光学显微镜观察裂纹扩展路径及断口低倍组织 采用j s m 6 4 6 0 扫描电镜观察 断口表面形貌 弗在j s m 2 0 0 c x 透射电镜下进行不同试样的透射电镜组织观察 2 4 试验测试方法 试验测试按照 中华人琵荚帮鞠国家稼壤 g b t6 3 9 82 0 0 0 金耩材辩疲 劳裂纹扩展速率试验方法 进行 所用符号 名称及单位均和标准上的要求一致 雳袋小努魔蓬不大予o o l m m 熬璺其按括准要求溅蓑试撵簿痊b 疆髑最 小分度值不大予o 0 0 1 w 麴量具在试样的裂纹所在界瑚附近测麓宽度w 裂纹 预制电按照标准方法进行 本次试验礞制裂纹长度犬予等于i m m 室温环境下 试验时 试验过程中裂纹增量采用鞠灏法 3 0 显微镜 在筒薅两个袭蠢j 测 量裂纹长度 取髯术平均德 在高温环境下试验时 裂纹增量采用电位法测定 攫l 定方法按标准g b t 6 3 9 82 0 0 0 孛辫录b 避孳 二 在逡 亍褒滠试骏时 客试群辫 堞 l 卜 肾w 茫一氯 肇2 黎试验丰 毒 觳方藏 上 中 下三个位置捆绑热电偶控制温度 加热到试验温度后保温3 0 分钟后开 始试验 控瀑