TC4-DT钛合金损伤行为研究

摘要

钛及钛合金因密度低、比强度高、耐高温、耐腐蚀等优点，在航空航天方面的应用范围逐渐扩大，使用数量持续上升。近年来，在断裂力学和损伤容限理论不断发展的同时，飞机零构件的设计准则也由传统的静强度设计概念转变为损伤容限设计概念。为了适应损伤容限设计的要求，国际上十分重视发展具有高断裂韧性和低裂纹扩展速率的高强或中强钛合金。TC4-DT钛合金作为一种中强高损伤容限型钛合金，在航空结构件中已经得到了广泛应用。为了扩大航空部门的用钛量，进一步提高飞机的稳定性和安全性，需要对合金的性能进行深入研究。材料的性能取决于其显微组织的组成、形态和分布等特征，深入分析显微组织特征参数对提高合金性能具有重要的意义。本文主要以高损伤容限性能TC4-DT钛合金为试验材料，研究不同显微组织结构对合金损伤容限性能（即断裂韧性和裂纹扩展速率）的影响。论文的主要研究内容和结果如下：
　　揭示了TC4-DT合金不同组织形态对断裂韧性的影响规律和机理。两相区热处理，随着固溶温度的升高，初生α相含量减小，次生α相含量增加，随着初生α相含量的减小和次生α相含量的增加断裂韧性增大。初生α相是裂纹萌生源及扩展通道，次生α相含量的增加会增加组织中界面的数量，使断裂韧性的增加成为可能。集束边界是阻止滑移的主要屏障，裂纹在穿过不同位向集束时会发生明显的塑性变形，使断裂韧性提高。
　　分析了β相区双重处理下不同固溶冷却速率、不同固溶温度及多重处理对合金断裂韧性的影响规律。β相区不同的冷却速率可获得不同的片层α相厚度，较厚的片层α相可使合金的断裂韧性提高。裂纹沿着片层α相和时效β相的相界面扩展，片层α相较高的长宽比，为裂纹扩展提供了更大的相界面，并且界面阻力导致在扩展过程中裂纹方向的多次改变，吸收更多能量，使断裂韧性提高。β相区热处理，随固溶温度的升高，β晶粒尺寸增大。β晶粒尺寸的增大有助于合金断裂韧性提高，主要与粗大的晶粒在断裂过程产生粗糙的断口表面和裂尖产生较大的塑性变形有关。多重热处理可以有效调节片层组织结构参数，通过控制一重和二重热处理温度和冷却速率可控制片层α相和次生α相尺寸和数量，调整材料的力学性能，改善合金断裂韧性。
　　讨论了循环载荷固定不变时，TC4-DT钛合金不同显微组织的裂纹扩展速率，研究显微组织结构参数对裂纹扩展速率的影响规律。对等轴组织，较高的初生α含量在裂纹扩展过程中裂尖具有较高的应变吸收能，导致了材料在循环载荷作用下具有较高的扩展阻力。同时，较多的α含量在一定条件下也足以延缓裂纹的扩展，因此较高α含量的显微组织可获得较低的裂纹扩展速率；对片层组织，裂纹稳态扩展阶段，较厚的片层α相由于在相同位移条件下的片层数目少，对裂纹扩展的阻碍作用较细片层结构的组织弱，因此较细的片层结构具有更小的裂纹扩展速率。多重热处理获得的次生α相在近门槛区会阻碍裂纹扩展，随着△K的增大，对裂纹扩展影响逐渐减小，裂纹扩展路径主要受片层α厚度和晶团尺寸的影响。
　　揭示了不同显微组织结构特征对裂纹扩展路径的影响规律。不同载荷条件，裂纹在穿过含有初生α相的组织时会产生不同的扩展路径，主要与不同载荷模式下初生α相或β转变组织的性质发生变化有关。单向加载条件下，裂纹绕过α相扩展；循环小载荷、低频率条件下，由于循环应力导致的β转变组织硬化使裂纹穿过α相扩展；提高载荷和频率条件，裂纹既可以穿过α相扩展，也可以绕过α相扩展。疲劳裂纹在粗片层组织中扩展路径多沿与片层α平行或垂直于片层α方向扩展；而在细片层组织中多为直接穿越晶界进行扩展，晶内裂纹沿集束方向扩展。
　　采用光学显微镜和扫描电镜对 TC4-DT合金等轴组织和片层组织裂纹扩展过程中国裂纹面附近的变形区进行了观察与分析，结果显示：片层组织较等轴组织裂纹面附近有较大范围的塑性变形，并且随着裂纹长度的增加，裂纹扩展区的塑性变形范围及变形程度都逐渐增大。裂尖较大的塑性区内存在着长距离的滑移，且滑移方向受晶粒和晶团的影响，导致片层组织中疲劳裂纹曲折的扩展路径和粗糙的断裂表面，降低了裂纹扩展速率。等轴组织中裂纹的扩展路径比较平直，裂纹主要沿等轴α/β相界扩展，塑性变形区范围较小，不存在长距离的滑移。
　　阐释了不同组织形态疲劳裂纹的形成及扩展机制，分析了裂纹在不同扩展阶段的扩展机理。片层组织中，滑移变形产生的剪切带和界面缺陷诱使裂纹萌生，等轴组织中α相的可逆滑移造成的缺陷导致裂纹萌生。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

论文的主要创新点与贡献

目录

第1章 绪 论

1.1引言

1.2损伤容限设计思想的发展与应用

1.3损伤容限性能对材料设计的要求

1.4疲劳裂纹扩展

1.5国内外损伤容限钛合金的发展

1.6损伤容限钛合金研究存在的问题

1.7本文选题背景及意义

1.8本文主要研究内容和研究思路

第2章 材料和试验方法

2.1引言

2.2试验材料

2.3热处理试验

2.4拉伸性能测试

2.5断裂韧性试验

2.6疲劳裂纹扩展速率测试

2.7材料组织结构分析

2.8本章小结

第3章 热处理工艺对TC4-DT合金组织及性能的影响

3.1引言

3.2两相区热处理对TC4-DT合金组织及性能的影响

3.3 β区热处理对TC4-DT合金组织与性能的影响

3.4多重热处理对TC4-DT合金组织与性能的影响

3.5断裂韧性与屈强差关系研究

3.6本章小结

第4章 TC4-DT钛合金疲劳裂纹扩展速率研究

4.1引言

4.2等轴组织对疲劳裂纹扩展速率的影响

4.3片层组织对疲劳裂纹扩展速率的影响

4.4多重热处理对疲劳裂纹扩展速率的影响

4.5应力比对裂纹扩展速率的影响

4.6本章小结

第5章TC4-DT钛合金疲劳裂纹扩展行为研究

5.1引言

5.2等轴组织中的疲劳裂纹扩展行为

5.3片层组织中的疲劳裂纹扩展行为

5.4本章小结

第6章 疲劳裂纹扩展机制讨论

6.1引言

6.2疲劳裂纹的萌生

6.3疲劳裂纹扩展机制

6.4本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文及其它工作

致谢

声明