《损伤容限型TC4DT钛合金疲劳裂纹扩展速率研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《损伤容限型TC4DT钛合金疲劳裂纹扩展速率研究（75页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、摘要摘要针对我国战斗机的应用背景及损伤容限型高性能材料设计发展的需求，西北有色金属研究院和北京航空材料研究院研制出了具有自主知识产权的新型中强损伤容限型T C 4 一D T 钛合金。裂纹扩展速率作为损伤容限设计一个重要指标，以及表征材料损伤容限性能的重要方面，有必要对其开展较为深入的研究。本文重点研究了取样方向、微观组织、应力比和试样尺寸对d a d N 的影响规律和作用机理。通过光学金相组织观察、裂纹扩展路径分析、扫描断口分析等方法，探讨了合金的裂纹扩展机理。研究主要结果如下：( 1 )在低K 区，d a d N 对组织比较敏感，T _ L 方向的d a d N 比L 。T方向快；随着4 K
2、 的增大，疲劳裂纹扩展到P a i r s 区，对组织不敏感，两个方向的d a d N 趋于一致。在P a i r s 区，T _ L 方向、L T 方向及4 5 。方向的裂纹扩展速率非常接近，表明该区域取样方向对d a d N 影响不大。( 2 )在本实验给定条件下，细片层编织状魏氏组织的d a d N i o qm m c y c l e 一1 0 m i l l c y c l e ，并随着K 的增大丽迅速升高。当K m a x = K ( I - R ) = 坼。时，试件或零件断裂。1 1 5 疲劳裂纹扩展速率的数学模型睁1 3 1为了精确地估算零件的裂纹扩展寿命，需要研究裂纹扩展模型
3、和表达式。P a i r s 提出的疲劳裂纹扩展速率表达式：d a d N - - - C A K ”，将A K 引进疲劳裂纹扩展的研究。以后在P a i r s 公式的基础上，对疲劳裂纹扩展公式不断完善和修正。F o r m a n t i提出适用于中部区和裂纹快速扩展区疲劳裂纹扩展速率表达式，同时对影响疲劳裂纹扩展速率及P a i r s 公式中的指数和系数都作了研究。K 。概念的提出，产生了适用于近门槛区和中部区的疲劳裂纹扩展表达式，以及适用于近门槛区、中部区和快速扩展区的疲劳裂纹扩展表达式等1 0 0 多个公式，本文列出了其中三个公式：1 ) 应用最广的是P a r i s 提出的裂纹
4、扩展速率公式：a n 羔：= C ( A K ) 脚d N、式中C 、m 为实验测定的常数。P a r i s 公式仅适用于I I 区。但实际应用中，通常把d a d N 曲线三个区按直线3 一qo“qqO萼之；v瞻骶北工业大学工学硕士学位论文；式分别用P a r i s 公式拟合。) 适用于I 、I I 两区的裂纹扩展公式：) Z h e n g H i r t 公式：紊础( 斌一吣，| ) 2 对于疲劳裂纹以条带机制扩展的合金，肛1 5 9 Ez对其他的裂纹扩展机制，胆1 ( 2 7 t E c f e f ) F o r m a n 公式：如A 。A K 删d N( 1 一R ) K r
5、 A K式中A ，和m r 为试验确定的材料常数，K c 为断裂韧度) 用于三个区的裂纹扩展公式：面d a = 警( A K 一皈) l 2 壶一而1j 。式中，F 为杨氏摸量，胞为断裂韧度1 。6 疲劳裂纹扩展行为的物理模型R i c h a r d s 等人n 4 3 总结出疲劳裂纹扩展有四种可能的机制，即条带机制、微区翠理、微孔连接和晶间分离。图1 - 4 给出了裂纹扩展的几种扩展机制。在本世纪0 年代，根据疲劳断1 ：3 表面与应力轴的相对位向，裂纹扩展可分为切应变型( 第一阶段) 和正应变型( 第二阶段) 。疲劳裂纹扩展的物理模型得到了迅速的发展，勿理模型基本上可分为三类，即滑移型、
6、钝化型和再生核型，如表卜1 所示。( a )舢旷卫扩甘UVV 窜乡i。am经。 上k q o_ 亨一矗第l 章文献综述( c )图卜4 疲劳裂纹扩展的四种机制惜3( a ) 滑移I 型( b ) 滑移I I 型( C ) 条带机制( d ) 微孑L 连接表卜l 疲劳裂纹扩展的物理模型m 1类型切应变型( 第一阶段)止胆父型( 弟二断r 没) 持续滑移双滑移滑移型( G e l l 与L e v e r a n t1 9 6 8 年)( S c h i j v e1 9 6 4 年) 范性钝化范性钝化钝化型 ( L a r i d1 9 6 7 年)( L a r i d 与S m i t h1
7、 9 6 2 年) 再生核脆性一范性交替再生核型( G r o s s k r e y t z1 9 6 2 年)( F o r s y t h 等)1 7裂纹体的断裂模式强31 ) I 型或张开型：外加拉应力与裂纹面垂直，使裂纹张开，即为I 型或张开型，如图1 - 5 ( a ) 所示。2 ) I I 型或滑开型：外加切应力平行于裂纹面并垂直于裂纹前缘线，即为I I 型或滑开型，如图1 - 5 ( b ) 所示。3 ) I I I 型或撕开型：外加切应力既平行于裂纹面又平行于裂纹前缘线，即为I I I型或撕开型，如图1 - 5 ( c ) 所示。h 恃鼢脚陪卜砷陪瓣bp mb 卜话北1 二业
8、大学工学硕士学位论文 仃( a 1( b )( c )图卜5 裂纹体的断裂模式1 ，1 。8 裂纹扩展机制研究关于裂纹扩展的机制存在两种观点。1 ：一种观点认为疲劳裂纹扩展是裂纹尖端在循环载荷作用下滑移分离的结果；另一种观点则认为疲劳裂纹扩展是由于循环载荷作用一F 在裂纹尖端微区内累积损伤的结果。根据疲劳断口分析，疲劳裂纹既可以滑移分离的机制扩展，也可以累积损伤的机制扩展。前者是通过裂纹尖端塑性钝化和复锐的方式完成的，典型的断口特征是疲劳条纹，后者通过主裂纹前微孔形成、粗化和连接、d , N 面生长等方式扩展。疲劳裂纹扩展的不同阶段或沿整个裂纹前沿的不同部位，具有不同的扩展机制。关于疲劳裂纹扩
9、展机制的研究还有待于进一步深入开展。1 1 9 裂纹闭合效应n5 强3裂纹闭合是指力循环的卸力过程中裂纹面接触并且力通过裂纹而传递的种现象。通常情况下，一般认为裂纹闭合的机制有三种：即塑性诱发、氧化物诱发和断面粗糙诱发的闭合。疲劳裂纹尾部残留的塑性变形材料导致裂纹过早的闭合，即被定义为塑性诱发闭合。当裂纹表面发生严重氧化，积留着氧化物时，即被定义为氧化物诱发闭合，疲劳断口粗糙不平。在张开型和剪切型混合应力作用下，裂纹面局部错位导致的闭合，称断面粗糙诱发的闭合。上述三种闭合机制往往是相互促进的，例如，塑性变形和断面粗糙引起的裂纹闭合，使接触的断面发生微动磨损。一方面使局部部位温度升高，另一方面促
10、使已经形成的腐蚀产物断裂和剥落，从而加速了新的腐蚀产物的形成，导致裂纹闭合力增大。E l b e r 等人根据实验观察到的闭合现象提出了有效应力强度因子变程的概念，定义为：4 艇，= 凡厂如，如为裂纹完全张开时对应的应力强度因子。任何影响裂纹扩展机制的力学、环境及材料的组织和性能的因素都会影响裂纹的闭合效应。第1 章文献综述1 1 。10 小裂纹现象订町小裂纹现象是指在与长裂纹相同的名义驱动力下，小裂纹扩展较快；在长裂纹的门槛值之下，小裂纹仍以较高的速率扩展。小裂纹现象主要在下述三种情况下发生：裂纹长度与材料的微观尺寸相比不够大；裂纹长度与裂尖前方的塑性区尺寸相比不够大；裂纹长度小于某值。实际
11、上，引起小裂纹行为的各种因素常是混杂在一起的。1 1 11影响d a d N 的因素影响裂纹扩展的各种因素可分为内部因素和外部因素两大类：1 ) 内部因素是指材料本身所具有的状态和性能，如材料的模量、强度、塑性、循环性能以及显微组织等。2 ) 外部因素是指实验或构件的实验条件或服役条件，如温度、频率、应力比、试样尺寸及环境等。1 1 12 降低d a d N 的途径11 ) 近门槛区的裂纹扩展速率主要决定于裂纹扩展门槛值4 比；相同的4 下，提高4 厄。，可使裂纹扩展速率大大降低。2 )粗化晶粒将提高材料的疲劳裂纹扩展门槛值4 丘。之值，因而降低材料在近门槛区的裂纹扩展速率。3 )在I I 区
12、，裂纹扩展速率主要取决于裂纹扩展系数夙而雅取决于材料的性能和裂纹在I I 区的扩展机制。1 1 13 疲劳裂纹扩展寿命的估算西1 6 1 8 1含有裂纹的构件，在变动载荷作用下，其寿命由裂纹的扩展行为所决定。若外加应力水平低，裂纹尺寸小，相应的应力强度因子范围低于厶如时，裂纹不会扩展：反之，裂纹的扩展速率将决定构件的使用寿命。对于恒幅载荷，可以使用断裂力学方法，通过积分裂纹扩展速率表达式来估算裂纹构件的寿命。其估算程序如下：1 ) 通过无损检验或验收试验确定初始裂纹尺寸a 。及其形状、位置和取向；2 ) 根据材料的断裂韧度或托确定构件的临界裂纹尺寸8 c ；3 ) 计算构件承受的名义应力范围及
13、应力比；4 ) 确定含裂纹构件的应力强度因子表达式；5 ) 选择或试验确定合理的裂纹扩展速率表达式；6 ) 零件的裂纹扩展寿命助，可按下式估算，式中a o 为初始裂纹尺。j ，a 。为临界裂纹尺寸，二者分别为积分的上、下限。西北工业大学工学硕士学位论文坼= cr l d a ，丽1 2Tl - 6 AI - 4 V 合金简介1 2 1Ti - 6 AI - 4 V 合金的发展钛合金最重要的特点之一是具有较高的比强度，是当代先进飞机和航空发动机的主要结构材料之一，钛合金的应用水平也成为衡量飞机先进程度的重要标志专一【l 引“一0 T i - 6 A 1 - 4 V 合金是钛合金中使用最广泛、最成
14、熟的( 1 3 + B ) 两相钛合金，它含有6 的1 3 稳定元素铝和4 的1 3 稳定元素钒。各国相继发展的历史已近四十年，并形成各自的牌号啦0 1 ，如美国的U N S R 5 6 4 0 0 、A S T MG r a d e5 、A M S 4 9 0 6 、4 9 3 0 、4 9 6 7 、M I L F 8 3 1 4 2 、T 8 1 9 1 5 、T i m e t a l6 - 4 ，欧洲的T i P 6 3 、T I P 6 4 0 0 1 ，英国的T A 5 6 、D T D 5 3 6 3 、I M l 3 1 8 ，俄罗斯的B T 6 ，法国的T A 6 V ，中
15、国T C 4 等。该类普通T i - 6 A 1 - 4 V 合金的成份特征瞳门为：合金元素允许波动范围较宽，杂质允许含量较高：抗拉强度一般在8 0 0 M P a 1 0 0 0 M P a 之间、延伸率4 一1 6 之间并随合金成份的波动、加工工艺、产品规格和热处理制度的不同而变化，断裂韧性典型值为5 5M P a , f - m ( ( Q + 1 3 ) 锻造、退火态) 心置2 3 1 ，双态组织的如最高可达6 5M P a q r m m 比钔。普通T i - 6 h l - 4 V 合金较高的杂质含量带来的较高的冶金缺陷可能性，较低的塑性和韧性及较短的使用寿命心引，导致它不能满足某
16、些特殊情况下构件的性能要求。在近2 0 年，美国、英国等少数发达国家开发了杂质含量较低的超低间隙T i - 6 A 1 - 4 V 合金( T i 一6 A 1 4 V ( E L I ) 弛州。普通T i - 6 A 一4 V 和超低间隙级T i 一6 A 1 4 V 合金，两者的成分比较见表卜2 所示心5 | ，各国也都形成了自己的牌号，如美国的A M S 4 9 0 7 D 、A M S 4 9 3 0 、A S T M F 4 6 8 、英国的I M l 3 1 8 E L I 、法国的T A 6 V E L I以及中国新研制的T C 4 - D T 合金等。与普通T i - 6 A 1 4 V 合金相比，此类合金的主要特征为：合金元素A 1 、V 允许波动的范围较窄，其上限的降低是为了提高韧性，而下限的提高是为了保持定的强度水平。间隙元素C 、0 、N 和杂质元素F e的最高允许含量
