Ti4O新型阻燃鈦合金疲勞裂紋擴(kuò)展行為研究.pdf

1、Ti40合金是我國(guó)針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦結(jié)構(gòu)件在高溫、受摩擦條件下易燃問(wèn)題而研制的一種新型阻燃合金，其名義成份為T(mén)i-25V-15Cr-xSi。全面、系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)周期載荷下Ti40合金的疲勞裂紋擴(kuò)展行為對(duì)于航空結(jié)構(gòu)件的損傷容限設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。本文以工程應(yīng)用為背景，對(duì)Ti40合金在不同溫度、頻率和應(yīng)力比下的疲勞裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，揭示了合金疲勞裂紋擴(kuò)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(kuò)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(kuò)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(kuò)展曲線在△K為45.5MPa√m和裂紋擴(kuò)展速率為1.85×10-3mm/cycle時(shí)相交于一點(diǎn)。該點(diǎn)是Ti40合金疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)制同時(shí)由不完全韌性擴(kuò)展機(jī)制向完全韌性擴(kuò)展機(jī)制轉(zhuǎn)變的過(guò)渡點(diǎn)。 2.溫度對(duì)Ti40合金疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響主要源于溫度對(duì)其彈性模量、屈服強(qiáng)

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(qiáng)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(kuò)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(kuò)展速率呈現(xiàn)顯著升高的趨勢(shì)。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(diǎn)。 3.Ti40合金的組織特征無(wú)

4、法為其疲勞裂紋擴(kuò)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(shì)使得Ti40合金在室溫下的裂紋擴(kuò)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(shì)，因此裂紋擴(kuò)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(kuò)展速率還略快于650℃下β21S的裂紋擴(kuò)展速率。 4.頻率越小，Ti40合金的疲勞裂紋擴(kuò)展

5、速率越大。不過(guò)在室溫下，當(dāng)△K≤15MPa√m時(shí)，頻率從1Hz到20Hz裂紋擴(kuò)展速率變化很小；當(dāng)△K≥15MPa√m時(shí)，在頻率為1Hz的附近，表現(xiàn)出的是周期—時(shí)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(duì)頻率的變化不敏感。500℃時(shí)，在△K≥10MPa√m時(shí)，f=1Hz的裂紋擴(kuò)展速率明顯高于f=10Hz的裂紋擴(kuò)展速率。 5.室溫下，頻率對(duì)Ti40合金裂紋擴(kuò)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(kuò)展速率就越高。500℃時(shí)，氧化成為頻率影響Ti40合金裂紋擴(kuò)展行為不可忽略的因素。低的頻率會(huì)導(dǎo)致裂紋尖端區(qū)域在環(huán)境中的暴露時(shí)間增加，滲氧層中的氧化物釘扎了位錯(cuò)的移動(dòng)，使裂端部位材料的屈服強(qiáng)度升高。高的屈服強(qiáng)度使得在應(yīng)力變化幅相同時(shí)，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(shí)裂紋擴(kuò)展速率增大值與室溫相比變小，即Ti40合金在高溫時(shí)裂紋

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