TC4-DT鈦合金損傷行為研究.pdf

1、鈦及鈦合金因密度低、比強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天方面的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，使用數(shù)量持續(xù)上升。近年來，在斷裂力學(xué)和損傷容限理論不斷發(fā)展的同時(shí)，飛機(jī)零構(gòu)件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則也由傳統(tǒng)的靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)概念轉(zhuǎn)變?yōu)閾p傷容限設(shè)計(jì)概念。為了適應(yīng)損傷容限設(shè)計(jì)的要求，國(guó)際上十分重視發(fā)展具有高斷裂韌性和低裂紋擴(kuò)展速率的高強(qiáng)或中強(qiáng)鈦合金。TC4-DT鈦合金作為一種中強(qiáng)高損傷容限型鈦合金，在航空結(jié)構(gòu)件中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。為了擴(kuò)大航空部門的用鈦量，進(jìn)一步提高飛機(jī)

2、的穩(wěn)定性和安全性，需要對(duì)合金的性能進(jìn)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(shù)對(duì)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(yàn)材料，研究不同顯微組織結(jié)構(gòu)對(duì)合金損傷容限性能（即斷裂韌性和裂紋擴(kuò)展速率）的影響。論文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下：
　　揭示了TC4-DT合金不同組織形態(tài)對(duì)斷裂韌性的影響規(guī)律和機(jī)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(kuò)展通道，次生α相含量的增加會(huì)增加組織中界面的數(shù)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(shí)會(huì)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(duì)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(shí)效β相的相界面擴(kuò)展，片層α相較高的長(zhǎng)寬比，為裂紋擴(kuò)展提供了更大的相界面，并且界面阻力導(dǎo)致在擴(kuò)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(chǎn)生粗糙的斷口表面和裂尖產(chǎn)生較大的塑性變形有關(guān)。多重?zé)崽幚砜梢杂行д{(diào)節(jié)片層組織結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過控制一重和二重?zé)崽幚頊囟群屠鋮s速率可控制片層α相和次生α

5、相尺寸和數(shù)量，調(diào)整材料的力學(xué)性能，改善合金斷裂韌性。
　　討論了循環(huán)載荷固定不變時(shí)，TC4-DT鈦合金不同顯微組織的裂紋擴(kuò)展速率，研究顯微組織結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)裂紋擴(kuò)展速率的影響規(guī)律。對(duì)等軸組織，較高的初生α含量在裂紋擴(kuò)展過程中裂尖具有較高的應(yīng)變吸收能，導(dǎo)致了材料在循環(huán)載荷作用下具有較高的擴(kuò)展阻力。同時(shí)，較多的α含量在一定條件下也足以延緩裂紋的擴(kuò)展，因此較高α含量的顯微組織可獲得較低的裂紋擴(kuò)展速率；對(duì)片層組織，裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)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(shù)目少，對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻礙作用較細(xì)片層結(jié)構(gòu)的組織弱，因此較細(xì)的片層結(jié)構(gòu)具有更小的裂紋擴(kuò)展速率。多重?zé)崽幚慝@得的次生α相在近門檻區(qū)會(huì)阻礙裂紋擴(kuò)展，隨著△K的增大，對(duì)裂紋擴(kuò)展影響逐漸減小，裂紋擴(kuò)展路徑主要受片層α厚度和晶團(tuán)尺寸的影響。
　　揭示了不同顯微組織結(jié)構(gòu)特征對(duì)裂紋擴(kuò)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(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的擴(kuò)展路徑，主要與不同載荷模式下初生α相或β轉(zhuǎn)變組織的性質(zhì)發(fā)生變

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

8、分析，結(jié)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(zhǎng)度的增加，裂紋擴(kuò)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(nèi)存在著長(zhǎng)距離的滑移，且滑移方向受晶粒和晶團(tuán)的影響，導(dǎo)致片層組織中疲勞裂紋曲折的擴(kuò)展路徑和粗糙的斷裂表面，降低了裂紋擴(kuò)展速率。等軸組織中裂紋的擴(kuò)展路徑比較平直，裂紋主要沿等軸α/β相界擴(kuò)展，塑性變形區(qū)范圍較小，不存在長(zhǎng)距離的滑移。
　　闡釋了不同組織形態(tài)疲勞裂紋的形成及擴(kuò)展機(jī)制，分