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(shù)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(gòu)件的設計準則也由傳統(tǒng)的靜強度設計概念轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)件中已經(jīng)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(shù)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(jié)構(gòu)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(nèi)容和結(jié)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(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(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)。多重熱處理可以有效調(diào)節(jié)片層組織結(jié)構(gòu)參數(shù)，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(shù)量，調(diào)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(jié)構(gòu)參數(shù)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(shù)目少，對裂紋擴展的阻礙作用較細片層結(jié)構(gòu)的組織弱，因此較細的片層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(chǎn)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(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(zhuǎn)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(nèi)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(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(nèi)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