TC4-DT鈦合金損傷行為研究.pdf

1、鈦及鈦合金因密度低、比強度高、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點，在航空航天方面的應用范圍逐漸擴大，使用數量持續(xù)上升。近年來，在斷裂力學和損傷容限理論不斷發(fā)展的同時，飛機零構件的設計準則也由傳統(tǒng)的靜強度設計概念轉變?yōu)閾p傷容限設計概念。為了適應損傷容限設計的要求，國際上十分重視發(fā)展具有高斷裂韌性和低裂紋擴展速率的高強或中強鈦合金。TC4-DT鈦合金作為一種中強高損傷容限型鈦合金，在航空結構件中已經得到了廣泛應用。為了擴大航空部門的用鈦量，進一步提高飛機

2、的穩(wěn)定性和安全性，需要對合金的性能進行深入研究。材料的性能取決于其顯微組織的組成、形態(tài)和分布等特征，深入分析顯微組織特征參數對提高合金性能具有重要的意義。本文主要以高損傷容限性能TC4-DT鈦合金為試驗材料，研究不同顯微組織結構對合金損傷容限性能（即斷裂韌性和裂紋擴展速率）的影響。論文的主要研究內容和結果如下：
　　揭示了TC4-DT合金不同組織形態(tài)對斷裂韌性的影響規(guī)律和機理。兩相區(qū)熱處理，隨著固溶溫度的升高，初生α相含量減小，次

3、生α相含量增加，隨著初生α相含量的減小和次生α相含量的增加斷裂韌性增大。初生α相是裂紋萌生源及擴展通道，次生α相含量的增加會增加組織中界面的數量，使斷裂韌性的增加成為可能。集束邊界是阻止滑移的主要屏障，裂紋在穿過不同位向集束時會發(fā)生明顯的塑性變形，使斷裂韌性提高。
　　分析了β相區(qū)雙重處理下不同固溶冷卻速率、不同固溶溫度及多重處理對合金斷裂韌性的影響規(guī)律。β相區(qū)不同的冷卻速率可獲得不同的片層α相厚度，較厚的片層α相可使合金的斷裂韌

4、性提高。裂紋沿著片層α相和時效β相的相界面擴展，片層α相較高的長寬比，為裂紋擴展提供了更大的相界面，并且界面阻力導致在擴展過程中裂紋方向的多次改變，吸收更多能量，使斷裂韌性提高。β相區(qū)熱處理，隨固溶溫度的升高，β晶粒尺寸增大。β晶粒尺寸的增大有助于合金斷裂韌性提高，主要與粗大的晶粒在斷裂過程產生粗糙的斷口表面和裂尖產生較大的塑性變形有關。多重熱處理可以有效調節(jié)片層組織結構參數，通過控制一重和二重熱處理溫度和冷卻速率可控制片層α相和次生α

5、相尺寸和數量，調整材料的力學性能，改善合金斷裂韌性。
　　討論了循環(huán)載荷固定不變時，TC4-DT鈦合金不同顯微組織的裂紋擴展速率，研究顯微組織結構參數對裂紋擴展速率的影響規(guī)律。對等軸組織，較高的初生α含量在裂紋擴展過程中裂尖具有較高的應變吸收能，導致了材料在循環(huán)載荷作用下具有較高的擴展阻力。同時，較多的α含量在一定條件下也足以延緩裂紋的擴展，因此較高α含量的顯微組織可獲得較低的裂紋擴展速率；對片層組織，裂紋穩(wěn)態(tài)擴展階段，較厚的片層

6、α相由于在相同位移條件下的片層數目少，對裂紋擴展的阻礙作用較細片層結構的組織弱，因此較細的片層結構具有更小的裂紋擴展速率。多重熱處理獲得的次生α相在近門檻區(qū)會阻礙裂紋擴展，隨著△K的增大，對裂紋擴展影響逐漸減小，裂紋擴展路徑主要受片層α厚度和晶團尺寸的影響。
　　揭示了不同顯微組織結構特征對裂紋擴展路徑的影響規(guī)律。不同載荷條件，裂紋在穿過含有初生α相的組織時會產生不同的擴展路徑，主要與不同載荷模式下初生α相或β轉變組織的性質發(fā)生變

7、化有關。單向加載條件下，裂紋繞過α相擴展；循環(huán)小載荷、低頻率條件下，由于循環(huán)應力導致的β轉變組織硬化使裂紋穿過α相擴展；提高載荷和頻率條件，裂紋既可以穿過α相擴展，也可以繞過α相擴展。疲勞裂紋在粗片層組織中擴展路徑多沿與片層α平行或垂直于片層α方向擴展；而在細片層組織中多為直接穿越晶界進行擴展，晶內裂紋沿集束方向擴展。
　　采用光學顯微鏡和掃描電鏡對 TC4-DT合金等軸組織和片層組織裂紋擴展過程中國裂紋面附近的變形區(qū)進行了觀察與

8、分析，結果顯示：片層組織較等軸組織裂紋面附近有較大范圍的塑性變形，并且隨著裂紋長度的增加，裂紋擴展區(qū)的塑性變形范圍及變形程度都逐漸增大。裂尖較大的塑性區(qū)內存在著長距離的滑移，且滑移方向受晶粒和晶團的影響，導致片層組織中疲勞裂紋曲折的擴展路徑和粗糙的斷裂表面，降低了裂紋擴展速率。等軸組織中裂紋的擴展路徑比較平直，裂紋主要沿等軸α/β相界擴展，塑性變形區(qū)范圍較小，不存在長距離的滑移。
　　闡釋了不同組織形態(tài)疲勞裂紋的形成及擴展機制，分