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文檔簡(jiǎn)介
1、由于具有優(yōu)良的拉伸、疲勞強(qiáng)度與耐腐蝕性能的優(yōu)點(diǎn),鈦合金在航空、化學(xué)工程及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。對(duì)于航天用鈦合金,疲勞性能是一個(gè)重要的參數(shù),特別是用作結(jié)構(gòu)材料,焊接是一種必不可少的手段,焊接后焊接接頭中存在較大組織與力學(xué)性能的不均勻性,對(duì)其疲勞性能也有深刻的影響。鈦與氫具有很好的結(jié)合力,焊接接頭中微量氫的存在,對(duì)焊接接頭的性能將產(chǎn)生深刻的影響,許多研究都致力于找出氫對(duì)鈦合金性能影響的機(jī)理。本文對(duì)TC4與TA15兩種鈦合金電子束焊接接頭的分區(qū)
2、疲勞擴(kuò)展差異,結(jié)合裂紋尖端微區(qū)形態(tài)分析,探討了顯微組織對(duì)合金疲勞行為的影響;并對(duì)微量的氫元素對(duì)鈦合金的疲勞性能進(jìn)行研究,為鈦合金的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。
本文的主要研究?jī)?nèi)容及成果為:
①疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)表明:距焊縫上表面5/6處裂紋擴(kuò)展速率最快,1/6處速率次之,3/6處裂紋擴(kuò)展最慢,且研究中硬度梯度越大處,裂紋擴(kuò)展速率越高;焊接接頭分區(qū)裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)表明:熱影響區(qū)裂紋擴(kuò)展速率最高,其次為焊縫區(qū),母材區(qū)裂紋擴(kuò)展
3、最緩慢。母材等軸組織裂紋擴(kuò)展抗力最大;焊縫區(qū)馬氏體成束分布且取向各異,導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展路徑曲折,裂紋擴(kuò)展抗力居中;熱影響區(qū)硬度梯度最大,疲勞過(guò)程中,α相與馬氏體變形不匹配,裂紋擴(kuò)展抗力最低。
②疲勞裂紋尖端的微區(qū)形態(tài)研究表明:經(jīng)歷疲勞循環(huán)后,位錯(cuò)密度大大增加,α/β相界面位錯(cuò)密度高,易成為位錯(cuò)形核的源區(qū)。焊縫區(qū)馬氏體板條之間的細(xì)碎相細(xì)碎相易成為疲勞裂紋形核的“軟點(diǎn)”,焊縫區(qū)較窄的馬氏體板條,易成為疲勞裂紋萌生的源區(qū)。熱影響區(qū)軟
4、質(zhì)α相與硬質(zhì)馬氏體相變形不匹配,大大降低了裂紋的擴(kuò)展抗力。此外,通過(guò)分區(qū)TEM對(duì)比研究,發(fā)現(xiàn)了焊縫區(qū)相對(duì)于母材更易萌生裂紋的相關(guān)證據(jù)。
③微量氫對(duì)TC4疲勞性能影響的研究表明:在置氫含量低于0.120 wt.%,氫以固溶形態(tài)存在于TC4中,疲勞壽命隨平均氫含量增加而急劇下降。氫的加入在一定程度上粗化了β相,β相粗化造成α與β相界面的協(xié)調(diào)能力下降,缺陷將沿α與β相界面聚集,從而成為二次裂紋源。在應(yīng)力作用下裂紋尖端聚積了原子氫
5、,加速了裂紋擴(kuò)展。氫含量的提高在增加TC4硬度的同時(shí),減少了TC4的塑性與韌性。顯微組織分析表明,位錯(cuò)在次生的α、β相區(qū)聚集,且α/β相界往往是裂紋萌生的根源。固溶的原子氫導(dǎo)致駐留滑移帶軟化,降低了裂紋擴(kuò)展的門檻值,從而增加了裂紋的擴(kuò)展速率。
④微量氫對(duì)TA15疲勞性能影響的研究表明:置氫含量低于0.105wt.%,氫以固溶形態(tài)存在于TA15焊縫中,疲勞壽命及擴(kuò)展壽命隨平均氫含量增加劇烈下降。這是由于氫降低了合金的韌性并增
6、加了裂紋擴(kuò)展速率。母材比焊接接頭具有更高的裂紋擴(kuò)展抗力。組織分析表明,電子束焊接TA15鈦合金生成馬氏體α'相,由于馬氏體片束取向分布導(dǎo)致擴(kuò)展后期形成團(tuán)簇結(jié)構(gòu);氫沿相界聚集,加速了裂紋沿馬氏體團(tuán)的擴(kuò)展速率,在斷口上留下了“胞狀”形態(tài)。馬氏體團(tuán)作為一個(gè)單元共同承受變形,固溶氫有加速裂紋沿“胞狀”組織邊界擴(kuò)展的作用。
⑤TA15小裂紋尖端微區(qū)形態(tài)研究中,測(cè)定了TA15的△K-da/dN曲線,擬合得到曲線方程為:da/dN=6.
7、93×10-10(△K)2.61,并通過(guò)計(jì)算得到裂紋尖端循環(huán)塑性區(qū)尺寸為166.17μm,研究發(fā)現(xiàn)TA15α相分布取向接近,加速了疲勞裂紋擴(kuò)展。對(duì)小裂紋階段的尖端形態(tài)進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)了裂紋尖端塑性區(qū)及滑移帶特征;裂紋尖端塑性區(qū)對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展影響深刻。裂紋擴(kuò)展通過(guò)尖端銳化-粗化-再銳化的過(guò)程實(shí)現(xiàn)的,其過(guò)程伴隨著裂紋尖端位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、聚集及滑移帶形成,滑移在相界處發(fā)生一定角度的偏折,而由于TA15中α相分布取向接近,弱化了相界對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻礙作
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