本文選題：TC4-DT鈦合金　切入點：損傷容限　出處：《西北工業(yè)大學》2015年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：鈦及鈦合金因密度低、比強度高、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點,在航空航天方面的應(yīng)用范圍逐漸擴大,使用數(shù)量持續(xù)上升。近年來,在斷裂力學和損傷容限理論不斷發(fā)展的同時,飛機零構(gòu)件的設(shè)計準則也由傳統(tǒng)的靜強度設(shè)計概念轉(zhuǎn)變?yōu)閾p傷容限設(shè)計概念。為了適應(yīng)損傷容限設(shè)計的要求,國際上十分重視發(fā)展具有高斷裂韌性和低裂紋擴展速率的高強或中強鈦合金。TC4-DT鈦合金作為一種中強高損傷容限型鈦合金,在航空結(jié)構(gòu)件中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。為了擴大航空部門的用鈦量,進一步提高飛機的穩(wěn)定性和安全性,需要對合金的性能進行深入研究。材料的性能取決于其顯微組織的組成、形態(tài)和分布等特征,深入分析顯微組織特征參數(shù)對提高合金性能具有重要的意義。本文主要以高損傷容限性能TC4-DT鈦合金為試驗材料,研究不同顯微組織結(jié)構(gòu)對合金損傷容限性能(即斷裂韌性和裂紋擴展速率)的影響。論文的主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:揭示了TC4-DT合金不同組織形態(tài)對斷裂韌性的影響規(guī)律和機理。兩相區(qū)熱處理,隨著固溶溫度的升高,初生α相含量減小,次生α相含量增加,隨著初生α相含量的減小和次生α相含量的增加斷裂韌性增大。初生α相是裂紋萌生源及擴展通道,次生α相含量的增加會增加組織中界面的數(shù)量,使斷裂韌性的增加成為可能。集束邊界是阻止滑移的主要屏障,裂紋在穿過不同位向集束時會發(fā)生明顯的塑性變形,使斷裂韌性提高。分析了β相區(qū)雙重處理下不同固溶冷卻速率、不同固溶溫度及多重處理對合金斷裂韌性的影響規(guī)律。β相區(qū)不同的冷卻速率可獲得不同的片層α相厚度,較厚的片層α相可使合金的斷裂韌性提高。裂紋沿著片層α相和時效β相的相界面擴展,片層α相較高的長寬比,為裂紋擴展提供了更大的相界面,并且界面阻力導致在擴展過程中裂紋方向的多次改變,吸收更多能量,使斷裂韌性提高。β相區(qū)熱處理,隨固溶溫度的升高,β晶粒尺寸增大。β晶粒尺寸的增大有助于合金斷裂韌性提高,主要與粗大的晶粒在斷裂過程產(chǎn)生粗糙的斷口表面和裂尖產(chǎn)生較大的塑性變形有關(guān)。多重熱處理可以有效調(diào)節(jié)片層組織結(jié)構(gòu)參數(shù),通過控制一重和二重熱處理溫度和冷卻速率可控制片層α相和次生α相尺寸和數(shù)量,調(diào)整材料的力學性能,改善合金斷裂韌性。討論了循環(huán)載荷固定不變時,TC4-DT鈦合金不同顯微組織的裂紋擴展速率,研究顯微組織結(jié)構(gòu)參數(shù)對裂紋擴展速率的影響規(guī)律。對等軸組織,較高的初生α含量在裂紋擴展過程中裂尖具有較高的應(yīng)變吸收能,導致了材料在循環(huán)載荷作用下具有較高的擴展阻力。同時,較多的α含量在一定條件下也足以延緩裂紋的擴展,因此較高α含量的顯微組織可獲得較低的裂紋擴展速率;對片層組織,裂紋穩(wěn)態(tài)擴展階段,較厚的片層α相由于在相同位移條件下的片層數(shù)目少,對裂紋擴展的阻礙作用較細片層結(jié)構(gòu)的組織弱,因此較細的片層結(jié)構(gòu)具有更小的裂紋擴展速率。多重熱處理獲得的次生α相在近門檻區(qū)會阻礙裂紋擴展,隨著△K的增大,對裂紋擴展影響逐漸減小,裂紋擴展路徑主要受片層α厚度和晶團尺寸的影響。揭示了不同顯微組織結(jié)構(gòu)特征對裂紋擴展路徑的影響規(guī)律。不同載荷條件,裂紋在穿過含有初生α相的組織時會產(chǎn)生不同的擴展路徑,主要與不同載荷模式下初生α相或β轉(zhuǎn)變組織的性質(zhì)發(fā)生變化有關(guān)。單向加載條件下,裂紋繞過α相擴展;循環(huán)小載荷、低頻率條件下,由于循環(huán)應(yīng)力導致的β轉(zhuǎn)變組織硬化使裂紋穿過α相擴展;提高載荷和頻率條件,裂紋既可以穿過α相擴展,也可以繞過α相擴展。疲勞裂紋在粗片層組織中擴展路徑多沿與片層α平行或垂直于片層α方向擴展;而在細片層組織中多為直接穿越晶界進行擴展,晶內(nèi)裂紋沿集束方向擴展。采用光學顯微鏡和掃描電鏡對TC4-DT合金等軸組織和片層組織裂紋擴展過程中國裂紋面附近的變形區(qū)進行了觀察與分析,結(jié)果顯示:片層組織較等軸組織裂紋面附近有較大范圍的塑性變形,并且隨著裂紋長度的增加,裂紋擴展區(qū)的塑性變形范圍及變形程度都逐漸增大。裂尖較大的塑性區(qū)內(nèi)存在著長距離的滑移,且滑移方向受晶粒和晶團的影響,導致片層組織中疲勞裂紋曲折的擴展路徑和粗糙的斷裂表面,降低了裂紋擴展速率。等軸組織中裂紋的擴展路徑比較平直,裂紋主要沿等軸α/β相界擴展,塑性變形區(qū)范圍較小,不存在長距離的滑移。闡釋了不同組織形態(tài)疲勞裂紋的形成及擴展機制,分析了裂紋在不同擴展階段的擴展機理。片層組織中,滑移變形產(chǎn)生的剪切帶和界面缺陷誘使裂紋萌生,等軸組織中α相的可逆滑移造成的缺陷導致裂紋萌生。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：西北工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG146.23

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本文編號：1646497