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钛合金动态断裂韧性测试方法及断裂行为的研究

作　者: 刘睿
导　师: 熊柏青；惠松骁
学　校: 北京有色金属研究总院
专　业: 材料学
关键词: 动态断裂韧性钛合金示波冲击法焦散线法微观组织
分类号: TG146.23
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本文研究了测试钛合金材料动态断裂韧性的试验方法,分别探索了适用于示波冲击法和焦散线法两种测试方法的试样形式。采用示波冲击法对TA15ELI合金、TC4合金、TB10合金的Ⅰ型载荷动态断裂韧性进行了测试,采用焦散线法对TA15ELI合金Ⅱ型载荷动态断裂韧性及平均裂纹扩展速率进行了测试,分析了落锤／摆锤加载系统下钛合金动态起裂过程和影响钛合金动态断裂性能的组织因素。对于示波冲击法测试钛合金动态断裂韧性的研究表明：不同组织类型的钛合金有不同的缺口敏感性,因而为了简化制样工艺的U型切口试样不适用于动态断裂韧性测试。在落锤或摆锤系统示波冲击测试涉及的加载速率范围内,钛合金一般在屈服之后发生动态断裂。带有a/w=0.2左右较短预制疲劳裂纹的Charpy冲击试样能够适用于示波冲击试验测试Ⅰ型载荷动态断裂韧性Jd。对于焦散线法测试钛合金动态断裂韧性的研究表明：在落锤系统所能达到的加载速率范围内难以测试钛合金平面应力条件Ⅰ型载荷动态断裂韧性。两端切口试样能够适用于焦散线法测试钛合金平面应力条件Ⅱ型载荷动态断裂韧性及动态裂纹扩展平均速率。焦散线法测得TA15ELI合金片层组织的试样平面应力条件Ⅱ型裂纹动态断裂韧性为279MPa-m1/2, II型裂纹的平均扩展速度为32.6m/s。TA15ELI、TC4、TB10三种合金通过热处理可以获得的最高动态断裂韧性Jd处于近似水平,其中TA15ELI合金略高。TA15ELI、TC4合金的魏氏组织,TC4合金(a+B转)组织、a’马氏体组织以及TB10合金的(弥散a相+β基体)组织通过组织细节参数的调整可以获得较高的动态断裂韧性,Jd数值在350-400kJ/m2范围。TA15ELI合金的魏氏组织相对于片层组织有更低的缺口敏感性和更高的动态断裂韧性。TC4合金(等轴a+a’马氏体)组织以及TB10合金的(a”马氏体+β基体)组织动态断裂韧性较差。钛合金类型及组织形态影响其动态断裂模式。片层组织的TA15ELI合金、(a+B转)组织的TC4合金、(a+a’马氏体)组织的TC4合金、(弥散a+β基体)TB10合金以混合模式发生动态断裂,但以韧性模式为主,断口由大量韧窝组成。魏氏组织的TA15ELI合金及a’马氏体组织的TC4合金、(a”马氏体+β基体)组织的TB10合金的断口呈现解理特征,但魏氏组织断口的解离面周围包含大量的细小韧窝。对于Ⅱ型动态断裂,片层组织TA15ELI合金断口由沿剪切方向拉长的韧窝以及光滑的弯曲小平面组成。在裂纹起裂过程中存在剪切集中化区域。钛合金断口表面存在大量的显微孔洞和二次裂纹,在动态断裂过程中,显微孔洞的生成能够起到耗散冲击能量的作用。a相内部靠近相界面处为显微孔洞形核位置。起裂过程以显微孔洞聚合的方式形成断裂面。钛合金动态断裂韧性受等轴相a含量及a相片层形貌等组织细节的交互影响。对于(a+β转)组织的TC4合金,其动态断裂韧性受等轴a相含量及次生a相片层形貌等组织细节的交互影响,等轴a相含量宜控制在47-50%范围。次生a相应控制其形貌为短棒状。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
1 绪论  11-30
  1.1 钛合金动态断裂行为研究的工程背景  11-14
  1.2 材料动态断裂行为研究现状  14-27
    1.2.1 动态断裂测试的常用加载设备  14-17
    1.2.2 动态断裂测试信息获取技术  17-19
    1.2.3 实验条件对材料动态断裂行为的影响  19-23
    1.2.4 微观组织对钛合金动态断裂行为的影响  23-27
  1.3 课题来源及意义  27-28
  1.4 研究内容及技术路线  28-30
2 试验材料及方法  30-32
  2.1 试验材料  30
  2.2 试验方法  30-32
    2.2.1 准静态力学性能测试  30
    2.2.2 动态断裂韧性测试测试  30
    2.2.3 显微组织观察  30-32
3 试验材料热处理工艺及组织状态  32-44
  3.1 TA15ELI合金热处理工艺及组织  32-33
  3.2 TC4合金热处理工艺及组织  33-41
    3.2.1 退火温度对TC4合金微观组织和性能的影响  33-39
    3.2.2 冷却速度对TC4合金微观组织和的影响  39-41
  3.3 TB10合金  41-44
4 钛合金动态断裂韧性试验方法的确定  44-59
  4.1 示波冲击法  44-49
    4.1.1 实验原理  44-45
    4.1.2 试验装置及试样形式  45-46
    4.1.3 不同试样示波冲击试验结果  46-49
  4.2 焦散线法  49-57
    4.2.1 实验原理  49-52
    4.2.2 试验装置  52-53
    4.2.3 不同试样形式焦散线试验结果  53-57
  4.3 本章小结  57-59
5 钛合金动态断裂韧性  59-67
  5.1 TA15ELI合金Ⅰ型载荷动态断裂性能  59
  5.2 TC4合金Ⅰ型载荷动态断裂性能  59-63
    5.2.1 退火温度对动态断裂韧性的影响  59-61
    5.2.2 冷却速度对动态断裂韧性的影响  61-63
  5.3 TB10合金Ⅰ型载荷动态断裂性能  63-64
  5.4 TA15ELI合金Ⅱ型载荷动态断裂性能  64-66
  5.5 本章小结  66-67
6 显微组织对动态断裂的影响  67-89
  6.1 Ⅰ型动态断口形貌(示波冲击断口)  67-78
  6.2 Ⅱ型动态断口形貌(焦散实验断口)  78-80
  6.3 摆锤/落锤系统条件下动态起裂过程  80-83
  6.4 组织类型对钛合金动态断裂韧性的影响  83-84
  6.5 组织细节对钛合金动态断裂韧性的影响  84-87
    6.5.1 α相含量  84-85
    6.5.2 α相形貌  85-87
  6.6 本章小结  87-89
7 结论  89-91
本论文创新点  91-92
后记  92-93
参考文献  93-101
博士论文期间研究成果  101-103
致谢  103

钛合金动态断裂韧性测试方法及断裂行为的研究

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