損傷容限型鈦合金斷裂韌度及疲勞裂紋擴展速率與金相組織關系的研究

趙云+佟巖

摘 要：研究了TC4-DT鈦合金片層和雙態兩種典型的金相組織對疲勞裂紋擴展速率、斷裂韌度及性能的影響，結果表明：片層組織的室溫力學性能較雙態組織略有降低，而其斷裂韌度和抵抗疲勞裂紋擴展的能力高于雙態組織，即片層組織的損傷容限性能優于雙態組織。

關鍵詞：損傷容限型鈦合金；片層組織；雙態組織；疲勞裂紋擴展速率；斷裂韌度

1引言

鈦合金在航空工業中的應用優勢日趨明顯。但隨著鈦合金原材料價格的上漲，以及鈦合金需求的趨旺，國際上近期鈦合金的發展重點有三個方面的轉變：一是由性能驅動轉變為成本驅動，即尋求低成本途徑；二是由成分創新驅動轉變為工藝創新驅動，即由合金化途徑滿足使用要求轉變為熱工藝途徑滿足使用要求；三是鈦合金選材判據發生變化。本課題主要研究片層和雙態兩類典型金相組織對疲勞裂紋擴展速率、斷裂韌度以及性能的影響規律。

2試驗材料與方法

實驗采用兩相區熱處理獲得等軸初生α相含量為30%的雙態組織，通過控制β熱處理工藝參數獲得具有等軸初生α為3%的片層組織，熱處理工藝參數見表1所示[7]。

3試驗過程與結果

3.1金相組織檢查

在TC4-DT鈦合金鍛件上切取高倍試樣，經腐蝕劑腐蝕后在金相顯微鏡下進行觀察，根據組織和形態總體分為兩類，即片層組織（1#-4#）和雙態組織（5#-8#），顯微組織形貌見圖1。

3.2片層組織、雙態組織斷裂韌度試驗及數據分析

片層組織試樣的斷裂韌度均明顯高于雙態組織，這是由于雙態組織中裂紋的擴展路徑比較平直且分支少，裂紋可直接穿過α相擴展，而裂紋在片層組織中的擴展路徑較曲折，起伏大，且擴展過程中形成的二次裂紋和許多細小裂紋會使能量降低而阻礙裂紋的擴展[3]。

3.3雙態組織疲勞裂紋擴展速率試驗及數據分析

由于試樣預制了缺口，故循環周次主要是疲勞裂紋擴展壽命。斷裂韌度的測試采用緊湊拉伸C（T）試樣，厚度B=12.5mm，取樣方向為T-L方向。疲勞裂紋擴展速率的加載方式為：正弦波，試驗頻率f =25Hz，應力比R=0.1。

相比之下，片層組織的疲勞裂紋擴展速率明顯低于雙態組織。裂紋在片層組織中的擴展速率約為其在等軸組織中的40%，因此片層組織抵抗裂紋擴展的能力優于雙態組織，這是因為在室溫下片層組織的滑移受原始粗大的晶粒的影響，密集的滑移帶常常在晶界α處中斷，裂紋越過晶界α相時方向發生改變，因此裂紋擴展途徑曲折，增加了裂紋的總長度，消耗了斷裂所需的能量。片層組織中裂紋擴展不僅遇到晶界α相時改變方向，且遇到不同集束時，由于不同集束的位向不同，位于裂紋擴展前端的α/β條將發生塑性變形，阻礙裂紋的擴展。這兩點因素使片層組織的斷裂韌度增高，疲勞裂紋擴展速率降低。

3.4室溫力學性能試驗

片層組織的室溫抗拉強度和屈服強度與雙態組織差別不明顯。片層組織的斷面收縮率較雙態組織下降了約18.6%，片層組織初生α相很少，導致拉伸塑性明顯降低。α相顆粒的數量越多，在拉伸變形時形成的空洞長大時遇到的阻礙越多，斷裂前產生的變形更大，塑性較高。

3.5斷口觀察

將斷裂韌度試樣斷口進行宏觀觀察。斷口為淺灰色，具有金屬光澤，為正常的韌性斷口。預制裂紋區較平坦，有些可以看到較大的金屬晶粒。片層組織試樣和雙態組織的疲勞源區均為線源，源區間放射棱線多并可見明顯放射狀擴展棱線特征。穩定擴展區即預制裂紋區較平坦，可以看到金屬晶粒大小。快速斷裂區兩側有明顯的剪切唇。

4、結論

1、TC4-DT鈦合金片層組織斷裂韌度和抵抗疲勞裂紋擴展的能力高于雙態組織，這說明片層組織的損傷容限性能優于雙態組織。當雙態組織的等軸初生α相含量約為30%-40%，片層組織的初生α相含量為3%時，裂紋在片層組織中的擴展速率約為其在等軸組織中的40%。

2、片層組織的室溫抗拉強度和屈服強度與雙態組織差別不明顯。片層組織的斷面收縮率較雙態組織下降了約18.6%。雙態組織中初生α相越多，拉伸變形時空洞長大受到的阻礙越大，使試樣斷裂前產生更大的變形，塑性更高。

3、片層組織較雙態組織斷口宏觀形貌粗糙，微觀斷口形貌相差不大，疲勞源區微觀形貌為準解理，疲勞擴展區可見二次裂紋及疲勞條帶特征，瞬斷區為典型的韌窩形貌。

參考文獻

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