显微组织与微量氢对钛合金电子束焊接接头疲劳特性的影响

摘要

由于具有优良的拉伸、疲劳强度与耐腐蚀性能的优点，钛合金在航空、化学工程及医学等领域广泛应用。对于航天用钛合金，疲劳性能是一个重要的参数，特别是用作结构材料，焊接是一种必不可少的手段，焊接后焊接接头中存在较大组织与力学性能的不均匀性，对其疲劳性能也有深刻的影响。钛与氢具有很好的结合力，焊接接头中微量氢的存在，对焊接接头的性能将产生深刻的影响，许多研究都致力于找出氢对钛合金性能影响的机理。本文对TC4与TA15两种钛合金电子束焊接接头的分区疲劳扩展差异，结合裂纹尖端微区形态分析，探讨了显微组织对合金疲劳行为的影响；并对微量的氢元素对钛合金的疲劳性能进行研究，为钛合金的应用提供理论基础。
　　 本文的主要研究内容及成果为：
　　 ①疲劳裂纹扩展速率试验表明：距焊缝上表面5/6处裂纹扩展速率最快，1/6处速率次之，3/6处裂纹扩展最慢，且研究中硬度梯度越大处，裂纹扩展速率越高；焊接接头分区裂纹扩展试验表明：热影响区裂纹扩展速率最高，其次为焊缝区，母材区裂纹扩展最缓慢。母材等轴组织裂纹扩展抗力最大；焊缝区马氏体成束分布且取向各异，导致裂纹扩展路径曲折，裂纹扩展抗力居中；热影响区硬度梯度最大，疲劳过程中，α相与马氏体变形不匹配，裂纹扩展抗力最低。
　　 ②疲劳裂纹尖端的微区形态研究表明：经历疲劳循环后，位错密度大大增加，α/β相界面位错密度高，易成为位错形核的源区。焊缝区马氏体板条之间的细碎相细碎相易成为疲劳裂纹形核的“软点”，焊缝区较窄的马氏体板条，易成为疲劳裂纹萌生的源区。热影响区软质α相与硬质马氏体相变形不匹配，大大降低了裂纹的扩展抗力。此外，通过分区TEM对比研究，发现了焊缝区相对于母材更易萌生裂纹的相关证据。
　　 ③微量氢对TC4疲劳性能影响的研究表明：在置氢含量低于0.120 wt.％，氢以固溶形态存在于TC4中，疲劳寿命随平均氢含量增加而急剧下降。氢的加入在一定程度上粗化了β相，β相粗化造成α与β相界面的协调能力下降，缺陷将沿α与β相界面聚集，从而成为二次裂纹源。在应力作用下裂纹尖端聚积了原子氢，加速了裂纹扩展。氢含量的提高在增加TC4硬度的同时，减少了TC4的塑性与韧性。显微组织分析表明，位错在次生的α、β相区聚集，且α/β相界往往是裂纹萌生的根源。固溶的原子氢导致驻留滑移带软化，降低了裂纹扩展的门槛值，从而增加了裂纹的扩展速率。
　　 ④微量氢对TA15疲劳性能影响的研究表明：置氢含量低于0.105wt.％，氢以固溶形态存在于TA15焊缝中，疲劳寿命及扩展寿命随平均氢含量增加剧烈下降。这是由于氢降低了合金的韧性并增加了裂纹扩展速率。母材比焊接接头具有更高的裂纹扩展抗力。组织分析表明，电子束焊接TA15钛合金生成马氏体α'相，由于马氏体片束取向分布导致扩展后期形成团簇结构；氢沿相界聚集，加速了裂纹沿马氏体团的扩展速率，在断口上留下了“胞状”形态。马氏体团作为一个单元共同承受变形，固溶氢有加速裂纹沿“胞状”组织边界扩展的作用。
　　 ⑤TA15小裂纹尖端微区形态研究中，测定了TA15的△K-da/dN曲线，拟合得到曲线方程为：da/dN=6.93×10-10(△K)2.61，并通过计算得到裂纹尖端循环塑性区尺寸为166.17μm，研究发现TA15α相分布取向接近，加速了疲劳裂纹扩展。对小裂纹阶段的尖端形态进行了研究，发现了裂纹尖端塑性区及滑移带特征；裂纹尖端塑性区对疲劳裂纹扩展影响深刻。裂纹扩展通过尖端锐化-粗化-再锐化的过程实现的，其过程伴随着裂纹尖端位错运动、聚集及滑移带形成，滑移在相界处发生一定角度的偏折，而由于TA15中α相分布取向接近，弱化了相界对裂纹扩展的阻碍作用。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 概论

2 TC4电子束焊接接头分区扩展及裂纹尖端形态研究

3 微量氢对电子束焊接TC4钛合金焊接接头疲劳寿命影响

4 微量氢对电子束焊接TA15钛合金疲劳寿命的影响

5 微量氢对电子束焊接TA15钛合金裂纹扩展的影响

6 TA15小裂纹疲劳裂纹尖端TEM微区形态研究

7 全文总结

致 谢

参考文献

附录1