损伤容限型钛合金断裂韧度及疲劳裂纹扩展速率与金相组织关系的研究

摘 要：研究了TC4-DT钛合金片层和双态两种典型的金相组织对疲劳裂纹扩展速率、断裂韧度及性能的影响，结果表明：片层组织的室温力学性能较双态组织略有降低，而其断裂韧度和抵抗疲劳裂纹扩展的能力高于双态组织，即片层组织的损伤容限性能优于双态组织。

关键词：损伤容限型钛合金；片层组织；双态组织；疲劳裂纹扩展速率；断裂韧度

1引言

钛合金在航空工业中的应用优势日趋明显。但随着钛合金原材料价格的上涨，以及钛合金需求的趋旺，国际上近期钛合金的发展重点有三个方面的转变：一是由性能驱动转变为成本驱动，即寻求低成本途径；二是由成分创新驱动转变为工艺创新驱动，即由合金化途径满足使用要求转变为热工艺途径满足使用要求；三是钛合金选材判据发生变化。本课题主要研究片层和双态两类典型金相组织对疲劳裂纹扩展速率、断裂韧度以及性能的影响规律。

2验材料与方法

实验采用两相区热处理获得等轴初生α相含量为30%的双态组织，通过控制β热处理工艺参数获得具有等轴初生α为3%的片层组织，热处理工艺参数见表1所示[7]。

3试验过程与结果

3.1金相组织检查

在TC4-DT钛合金锻件上切取高倍试样，经腐蚀剂腐蚀后在金相显微镜下进行观察，根据组织和形态总体分为两类，即片层组织（1#-4#）和双态组织（5#-8#），显微组织形貌见图1。

3.2片层组织、双态组织断裂韧度试验及数据分析

片层组织试样的断裂韧度均明显高于双态组织，这是由于双态组织中裂纹的扩展路径比较平直且分支少，裂纹可直接穿过α相扩展，而裂纹在片层组织中的扩展路径较曲折，起伏大，且扩展过程中形成的二次裂纹和许多细小裂纹会使能量降低而阻碍裂纹的扩展[3]。

3.3双态组织疲劳裂纹扩展速率试验及数据分析

由于试样预制了缺口，故循环周次主要是疲劳裂纹扩展寿命。断裂韧度的测试采用紧凑拉伸C（T）试样，厚度B=12.5mm，取样方向为T-L方向。疲劳裂纹扩展速率的加载方式为：正弦波，试验频率f =25Hz，应力比R=0.1。

相比之下，片层组织的疲劳裂纹扩展速率明显低于双态组织。裂纹在片层组织中的扩展速率约为其在等轴组织中的40%，因此片层组织抵抗裂纹扩展的能力优于双态组织，这是因为在室温下片层组织的滑移受原始粗大的晶粒的影响，密集的滑移带常常在晶界α处中断，裂纹越过晶界α相时方向发生改变，因此裂纹扩展途径曲折，增加了裂纹的总长度，消耗了断裂所需的能量。片层组织中裂纹扩展不仅遇到晶界α相时改变方向，且遇到不同集束时，由于不同集束的位向不同，位于裂纹扩展前端的α/β条将发生塑性变形，阻碍裂纹的扩展。这两点因素使片层组织的断裂韧度增高，疲劳裂纹扩展速率降低。

3.4室温力学性能试验

片层组织的室温抗拉强度和屈服强度与双态组织差别不明显。片层组织的断面收缩率较双态组织下降了约18.6%，片层组织初生α相很少，导致拉伸塑性明显降低。α相颗粒的数量越多，在拉伸变形时形成的空洞长大时遇到的阻碍越多，断裂前产生的变形更大，塑性较高。

3.5断口观察

将断裂韧度试样断口进行宏观观察。断口为浅灰色，具有金属光泽，为正常的韧性断口。预制裂纹区较平坦，有些可以看到较大的金属晶粒。片层组织试样和双态组织的疲劳源区均为线源，源区间放射棱线多并可见明显放射状扩展棱线特征。稳定扩展区即预制裂纹区较平坦，可以看到金属晶粒大小。快速断裂区两侧有明显的剪切唇。

4、结论

1、TC4-DT钛合金片层组织断裂韧度和抵抗疲劳裂纹扩展的能力高于双态组织，这说明片层组织的损伤容限性能优于双态组织。当双态组织的等轴初生α相含量约为30%-40%，片层组织的初生α相含量为3%时，裂纹在片层组织中的扩展速率约为其在等轴组织中的40%。

2、片层组织的室温抗拉强度和屈服强度与双态组织差别不明显。片层组织的断面收缩率较双态组织下降了约18.6%。双态组织中初生α相越多，拉伸变形时空洞长大受到的阻碍越大，使试样断裂前产生更大的变形，塑性更高。

3、片层组织较双态组织断口宏观形貌粗糙，微观断口形貌相差不大，疲劳源区微观形貌为准解理，疲劳扩展区可见二次裂纹及疲劳条带特征，瞬断区为典型的韧窝形貌。

参考文献

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