典型钛合金在简谐振动中的能量消耗和裂纹扩展行为

本文研究了近β-Ti合金、近α-Ti合金和(α+β)-Ti合金在0~−110℃、频率为200 Hz简谐振动过程中的振动模量及裂纹扩展行为,分析了温度对简谐振动中裂纹扩展速率及位错分布的影响,揭示了裂纹扩展机制。结果表明:低温下的简谐振动会加剧位错堆积与缠绕,从而增大阻尼,降低钛合金的振动回弹能力,提升钛合金的减振性能。其中,近β-Ti合金的储能模量整体比近α-Ti合金的低28.97%,其损耗模量和阻尼分别比(α+β)-Ti合金的高16.4%和9.88%,其低温下的减振性能优于其他两种钛合金。简谐振动在β相内产生的位错在相界累积并向相内滑移,导致应力集中和界面处微裂纹的产生,进而发生穿晶断裂。此外,伴随着β相中二次裂纹的产生,裂纹尖端受到不同方向的阻力,消耗了额外的简谐振动能量,尤其是当温度低于−60℃时,次生裂纹有效延缓了裂纹扩展速率。简谐振动在α相内产生的位错首先在相内被激活并不断向相界堆积,导致相内能量高于相界,裂纹发生沿晶扩展。在−60~−110℃温度区间,更低的损耗模量和阻尼使简谐振动能量作用在裂纹沿晶扩展上,增大了α相裂纹扩展速率。