Ti4O新型阻燃鈦合金疲勞裂紋擴展行為研究.pdf

1、Ti40合金是我國針對航空發(fā)動機鈦結(jié)構(gòu)件在高溫、受摩擦條件下易燃問題而研制的一種新型阻燃合金，其名義成份為Ti-25V-15Cr-xSi。全面、系統(tǒng)地認(rèn)識周期載荷下Ti40合金的疲勞裂紋擴展行為對于航空結(jié)構(gòu)件的損傷容限設(shè)計具有重要指導(dǎo)意義。本文以工程應(yīng)用為背景，對Ti40合金在不同溫度、頻率和應(yīng)力比下的疲勞裂紋擴展行為進行了較為系統(tǒng)的研究，揭示了合金疲勞裂紋擴展的現(xiàn)象和規(guī)律，分析了不同載荷條件影響Ti40合金疲勞裂紋擴展行為的本質(zhì)原因，

2、主要取得的研究結(jié)果如下： 1.在室溫～600℃范圍內(nèi)，隨溫度升高，Ti40合金疲勞裂紋擴展速率增大；Paris公式中的常數(shù)C值增加，m值降低；不同溫度下的裂紋擴展曲線在△K為45.5MPa√m和裂紋擴展速率為1.85×10-3mm/cycle時相交于一點。該點是Ti40合金疲勞裂紋擴展機制同時由不完全韌性擴展機制向完全韌性擴展機制轉(zhuǎn)變的過渡點。 2.溫度對Ti40合金疲勞裂紋擴展行為的影響主要源于溫度對其彈性模量、屈服強

3、度、韌性值的影響和合金裂端區(qū)的氧化。從室溫到300℃，隨溫度升高，Ti40合金的屈服強度和彈性模量降低而斷裂韌性升高，從而導(dǎo)致疲勞裂紋擴展速率變化不明顯；而從300℃～600℃，隨溫度的升高氧化加劇，使合金疲勞裂紋擴展速率呈現(xiàn)顯著升高的趨勢。Ti40合金的表觀激活能隨溫度升高而增大，但500℃以后表觀激活能的變化很小，表明500℃可能是Ti40合金一些性質(zhì)(比如熱力學(xué)方面的性質(zhì)等)發(fā)生變化的轉(zhuǎn)折點。 3.Ti40合金的組織特征無

4、法為其疲勞裂紋擴展提供明顯的阻力作用，但在物理性能和力學(xué)性能上的優(yōu)勢使得Ti40合金在室溫下的裂紋擴展速率低于具有片層組織的β21S合金；但與各種退火狀態(tài)下具有片層組織的Ti6Al4V合金相比，Ti40合金的物理和力學(xué)性能不占有明顯的優(yōu)勢，因此裂紋擴展速率高于Ti6Al4V合金。高溫下Ti40合金易于氧化，因此600℃下Ti40合金的裂紋擴展速率還略快于650℃下β21S的裂紋擴展速率。 4.頻率越小，Ti40合金的疲勞裂紋擴展

5、速率越大。不過在室溫下，當(dāng)△K≤15MPa√m時，頻率從1Hz到20Hz裂紋擴展速率變化很??；當(dāng)△K≥15MPa√m時，在頻率為1Hz的附近，表現(xiàn)出的是周期—時間相關(guān)性，受頻率的影響明顯，在10Hz、20Hz附近，表現(xiàn)出的是周期相關(guān)性，對頻率的變化不敏感。500℃時，在△K≥10MPa√m時，f=1Hz的裂紋擴展速率明顯高于f=10Hz的裂紋擴展速率。 5.室溫下，頻率對Ti40合金裂紋擴展速率的影響主要和取決于裂紋尖端載荷方向

6、上應(yīng)變幅或粘-塑性應(yīng)變幅的大小。頻率越低，相同△K下應(yīng)變幅或粘—塑性應(yīng)變幅越大，裂紋擴展速率就越高。500℃時，氧化成為頻率影響Ti40合金裂紋擴展行為不可忽略的因素。低的頻率會導(dǎo)致裂紋尖端區(qū)域在環(huán)境中的暴露時間增加，滲氧層中的氧化物釘扎了位錯的移動，使裂端部位材料的屈服強度升高。高的屈服強度使得在應(yīng)力變化幅相同時，應(yīng)變幅或粘—塑性應(yīng)變幅度降低，從而當(dāng)頻率從10Hz降到1Hz時裂紋擴展速率增大值與室溫相比變小，即Ti40合金在高溫時裂紋

7、擴展速率對頻率的敏感性與室溫相比減弱。 6.應(yīng)力比對疲勞裂紋擴展行為的影響在于不同應(yīng)力比對裂紋尖端區(qū)域應(yīng)力場的影響不同，而表征裂紋尖端應(yīng)力場的參數(shù)△K和Kmax對裂紋擴展速率的貢獻是不同的。對Ti40合金而言，應(yīng)力比在0.1到0.5范圍內(nèi)變化時，△K和Kmax共同控制著裂紋的擴展，但△K對裂紋擴展速率的影響更大；當(dāng)應(yīng)力比增加到0.8以上時，Kmax是導(dǎo)致Ti40合金裂紋擴展的關(guān)鍵因素。 7.發(fā)現(xiàn)了室溫下裂端“反向塑性區(qū)”