TC4ELI合金疲劳裂纹尖端塑性区对裂纹扩展的影响

研究了TC4ELI合金片层组织与短棒α组织中的疲劳裂纹尖端塑性区及裂纹扩展行为。首先通过SEM及TEM观察比较两种显微组织下的疲劳裂纹尖端塑性区,讨论两种显微组织中裂纹尖端塑性区对疲劳裂纹扩展路径及扩展断口的影响,分析裂纹扩展路径和裂纹尖端塑性区对裂纹闭合及裂纹扩展速率的影响。结果表明:与短棒α组织相比,片层组织中具有较大的裂纹尖端塑性区及曲折的裂纹扩展路径,并最终从疲劳裂纹闭合的角度,解释了片层组织具有较低的疲劳裂纹扩展速率的原因。

TC4ELI合金显微组织对疲劳裂纹扩展速率的影响

研究了TC4ELI钛合金的片层组织和等轴组织的疲劳裂纹扩展性能,通过金相显微镜观测了疲劳裂纹在组织中的扩展途径,采用扫描电镜观察了疲劳断口的形貌,并讨论了显微组织对该合金抵抗疲劳裂纹扩展性能的影响。结果表明:TC4ELI合金经995℃×1hAC+550℃×4hAC处理后得到片层组织抵抗裂纹扩展的性能优于经900℃×1hAC+550℃×4 hAC处理后得到的等轴组织性能。从断口观察可知,断裂主要是以疲劳条带扩展机制为主,同时也存在微区解理断裂机制。

TC4ELI合金的断裂韧性试验研究

本文加工一组共5件标准紧凑拉伸试样,通过载荷控制模式,对TC4ELI合金的平面应变断裂韧性进行了试验研究,结果表明:5件试样中,有3件获得了平面应变断裂韧性值,其余两件因不满足相关条件只获得了条件值。讨论了通过试验获得平面应变断裂韧性有效值的约束条件及其工程应用意义,为TC4ELI合金的实际应用提供依据。

不同温度加热随后炉冷的TC4 ELI钛合金的微观组织和力学性能

对TC4 ELI钛合金在两相区温度920℃、940℃、960℃和单相区温度980℃加热2 h后炉冷。随后通过金相检验、拉伸试验和断口分析检测了合金的显微组织、拉伸性能和拉伸断口形貌,以研究加热温度对TC4 ELI钛合金微观组织和力学性能的影响。结果表明:随着加热温度的提高,合金中等轴α相量减少,而次生α相的含量和尺寸增加;随着加热温度的提高,合金强度提高而塑性下降;在两相区温度加热随后炉冷的合金拉伸断口有大量韧窝,而在单相区温度加热随后炉冷的合金拉伸断口主要呈岩石状,并有明显的撕裂棱。

VAR熔炼制备超大规格TC4 ELI钛合金铸锭研究

舰船和海洋领域对钛合金材料的需求呈大型化发展趋势,铸锭作为锻件和板材的母材,其大型化也势在必行。为满足大型铸锭的工业化生产,采用有限元分析法对真空自耗电弧熔炼(VAR)超大规格TC4ELI钛合金一次锭和成品锭的熔炼过程进行了数值模拟研究。结果表明,一次锭熔炼过程中稳弧电流和稳弧周期直接影响熔池中夹杂物的运动轨迹;对于TC4 ELI钛合金一次锭熔炼,较为合适的稳弧参数为稳弧电流30 A,稳弧周期40 s;成品锭熔炼时,降低熔炼电流,增大稳弧电流和稳弧周期,即加强VAR熔炼过程中的搅拌有助于提高铸锭成分均匀性和表面质量。根据数值模拟结果进行了12.8 t级超大规格TC4 ELI钛合金铸锭的工业化生产,所得铸锭表面质量良好,成分均匀。

TC4ELI钛合金在3.5%NaCl溶液中的应力腐蚀行为研究

应力腐蚀是海洋装备用钛合金面临的主要威胁之一。为了给海洋装备的安全服役提供技术支撑,以海洋环境用TC4ELI钛合金为研究对象,根据恒位移WOL(楔形张开加载)试样测定KISCC的原理,系统开展了不同组织状态下TC4ELI钛合金在3.5%NaCl溶液中的应力腐蚀行为研究。用光学显微镜和扫描电镜观察了应力腐蚀试样断口形貌和裂纹扩展路径,用二次离子质谱仪分析了裂纹部位元素分布情况。结果表明:TC4ELI双态组织(α相与β相)板材的应力腐蚀门槛值KISCC为56.01 MPa·m^(1/2),魏氏组织板材的应力腐蚀门槛值KISCC大于67.48 MPa·m^(1/2),应力腐蚀试样断口主要由基体、疲劳预制区和撕裂区组成,双态组织试样疲劳预制区与撕裂区界面存在应力腐蚀区,裂纹尖端除主裂纹外还有部分次生裂纹出现;魏氏组织试样未发现明显应力腐蚀开裂特征,魏氏组织的抗应力腐蚀能力优于双态组织的。TC4ELI合金双态组织试样的应力腐蚀开裂以穿晶断裂为主,氢元素易于在裂纹尖端富集。

低温环境下TC4ELI钛合金三维疲劳裂纹扩展模型

利用疲劳试验机及扫描电镜研究了不同温度(20,-20,-40,-60℃)下不同厚度(12.5,9.0,6.0,3.0 mm)TC4ELI钛合金的疲劳裂纹扩展行为,建立低温环境下该合金的三维疲劳裂纹扩展模型。结果表明:由于闭合效应,减小厚度或降低温度均会减缓试验合金的疲劳裂纹扩展速率,Paris二维公式中的材料参数C和n并非常数;而在三维疲劳裂纹扩展理论框架下,修正后的Paris三维公式中的材料参数C_(eff)和n_(eff)均为常数,建立的三维疲劳裂纹扩展模型可以对不同温度下不同厚度试验合金的疲劳裂纹扩展行为进行归一化描述。

热处理方式对TC4ELI钛合金组织与性能的影响

采用4种不同的热处理工艺对低间隙TC4钛合金(TC4ELI)进行热处理,采用GX51光学金相显微镜、600 kN微机控制电液伺服万能试验机对试样进行显微组织观察与常温力学性能检测。结果表明,双重退火后得到等轴α相+β转变基体组织,材料具有较高的塑性;再结晶退火后得到双态组织,力学性能最好,屈服强度、抗拉强度分别达到1028 MPa和1075 MPa;β退火后得到存在大量退火孪晶α相+针状马氏体组织,塑性最差,伸长率为9%;固溶+时效处理后组织为稳定相α+β及次生等轴α相组织,抗拉强度达到1022 MPa。考虑材料使用环境的强度和塑性的最佳匹配,TC4ELI钛合金最佳热处理方法为再结晶退火,即965℃×1 h,AC+750℃×1 h,AC。

Fe元素对TC4ELI合金力学性能的影响

为弥补O含量受限,TC4ELI合金强度的不足,研究了Fe元素含量在0.08%~0.22%范围内对TC4ELI合金力学性能的影响。结果表明:随着Fe含量的增加,TC4ELI合金棒材保持了良好的综合力学性能。其中强度的提高最为突出,Fe含量处于0.16%~0.22%范围内时,抗拉强度达到930 MPa,屈服强度达到860 MPa,满足了普通TC4合金强度的标准要求。Fe作为置换型元素加入钛合金中,形成结构紧密的TiFe相,形成的Ti-Fe键代替了Ti-Ti键,具备更高的键能,提高了合金的强度。Fe元素的增加,有助于合金中β相含量的增加,降低了TC4ELI合金的弹性模量。

TC4-ELI合金高温拉伸性能研究

采用的TC4ELI合金是一种新型损伤容限钛合金。对该合金板材在550~700℃进行单向热拉伸实验。通过高温拉伸实验测得该合金的性能参数。最终得到了该材料的真应力-真应变曲线、塑性性能、微观组织等。实验结果可为TC4ELI合金在该温度范围内的热塑性成形提供理论基础。

轧制工艺对TC4ELI钛合金超宽幅厚板材组织与力学性能的影响

采用3种轧制工艺制备了δ42 mm×2100 mm×8000 mmTC4ELI钛合金板材,利用光学显微镜和万能拉伸试验机分析不同轧制工艺对TC4ELI宽幅厚板材的组织与性能的影响。结果表明:3种轧制工艺制备的板材组织分别为典型的变形魏氏、网篮和等轴组织,等轴组织具有较多的等轴初生α相,可产生均匀的应变,因此塑性良好;由于保留有原始β晶界的魏氏组织和网篮组织中的片状和短板条状的α束域取向不同使裂纹扩展路径变得曲折,故韧性较高,3种组织中网篮组织的强韧性匹配较好。根据海洋工程用钛合金材的工况条件,优选出合金强韧性匹配较好的轧制工艺。

初生α相含量对TC4 ELI钛合金动态应力应变行为的影响

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,对低间隙Ti-6Al-4V(TC4 ELI)钛合金中4种初生α相含量不同的等轴组织在不同应变速率(2 000、3 000和4 000 s 1)下进行动态压缩试验,通过动态压缩试验得到材料的动态真应力—应变(σ—ε)曲线,并利用金相显微镜(OM)等对试验后发生剪切失效破坏试样的端面进行观察分析。结果表明:随着初生α相含量的增加,TC4 ELI的平均动态流变应力、均匀动态塑性应变和冲击吸收功(E)的变化规律不明显,在4 000 s 1应变速率加载条件下,4组试样均发生剪切失效破坏,在失效试样的端面观察到几乎呈同心的圆弧形白亮绝热剪切带(ASB),部分剪切带发生分叉,裂纹在剪切带内形核、长大和聚合,最终导致试样断裂。

TC4ELI钛合金低周疲劳性能研究

研究了具有网篮组织的TC4ELI钛合金材料在不同应变幅值下的低周疲劳性能,给出了TC4ELI钛合金在低周疲劳下的循环应力-应变曲线,拟合出循环应变硬化指数、循环强度系数以及应变-寿命特征系数,并通过光学显微镜进行金相分析,通过扫描电镜进行断口形貌分析。结果表明,TC4ELI钛合金呈现出循环软化的特性;距离疲劳断口1.5 mm处的组织形态与断口处无明显变化,疲劳裂纹以穿晶方式扩展直至断裂;随着应变幅值增大,韧窝变大变深,韧性断裂特征变得更加显著。

轧制工艺和退火温度对TC4ELI钛合金厚板显微组织的影响

研究了轧制工艺和退火温度对TC4ELI钛合金厚板显微组织的影响。结果表明:采用工艺1轧制后的板材显微组织为双态组织;采用工艺2轧制后板材的显微组织为网篮组织。将网篮组织板材在不同温度下退火后发现:退火温度低于900℃时,板材显微组织没有明显变化,仍为网篮组织;退火温度为940℃时,板材显微组织中出现了再结晶现象,一部分条状α相变成等轴状α相,网篮组织向等轴组织过渡。合适的退火温度为780~900℃。

退火温度对TC4ELI钛合金大规格环材组织和力学性能的影响

采用光学显微镜、万能材料试验机和金属摆锤式冲击试验机研究了退火温度对TC4ELI钛合金大规格环材(Φ3384 mm/Φ3300 mm×1950 mm)的显微组织和力学性能的影响。显微组织分析结果表明:退火温度在850℃以下时,TC4ELI钛合金大规格环材退火后的显微组织与热加工态的显微组织基本相同;900℃退火后,TC4ELI钛合金大规格环材中部分片层状或针状α相的尺寸增大,同时出现了尺寸微小的等轴α相。力学性能测试结果表明:随着退火温度的升高,TC4ELI钛合金大规格环材的强度和伸长率有所提高;850℃以下退火,TC4ELI钛合金大规格环材断面收缩率变化不大,850℃以上退火,其断面收缩率显著升高。冲击实验结果表明:随着退火温度的升高,TC4ELI钛合金大规格环材的冲击功逐渐增大。经800~900℃保温2 h空冷后,TC4ELI钛合金大规格环材抗拉强度、屈服强度、塑性与冲击功达到较好匹配。

医用TC4ELI钛合金板材缺陷分析

某医用TC4ELI钛合金板材在进行低倍检查时发现其存在贯穿的亮带缺陷,通过金相检验、扫描电镜分析、能谱分析和硬度测试,对缺陷种类和形成原因进行了分析。结果表明:该缺陷为富钛+间隙元素偏析缺陷,是由钛合金铸锭生产过程中海绵钛粒度不均匀、中间合金混料分布不均匀导致的;建议通过控制原料和熔炼工艺来减少或消除该缺陷。

TC4ELI钛合金与异种金属材料的电偶腐蚀行为研究

通过测定TC4ELI钛合金与常用金属材料之间的电偶电流密度,研究了TC4ELI钛合金与不同材料偶接时的电偶腐蚀程度,比较分析了不同材料与TC4ELI钛合金电偶腐蚀行为的差异。研究结果表明,在模拟海水溶液中,Q235碳钢、60SiMn弹簧钢、6061铝合金、LF5铝合金与TC4ELI钛合金之间的电偶腐蚀较为严重,不能与TC4ELI钛合金直接接触使用;而304不锈钢、316L不锈钢以及2507双相不锈钢与TC4ELI钛合金之间的电偶腐蚀较轻,在模拟海水中可以与TC4ELI钛合金接触使用。

后处理对退火态TC4 ELI合金显微组织与性能的影响

采用光学金相显微镜(OM)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、室温拉伸、夏比冲击试验研究了后处理工艺对退火态TC4 ELI合金显微组织和力学性能的影响。结果表明,退火态TC4 ELI合金经520~720℃时效处理后发生“双态→等轴”的逆转变现象,强度呈现先升高后降低的趋势;冲击功在560℃降至最低后随温度升高稍有提高;时效α相的出现是冲击韧性劣化的主要原因,α2相析出的影响则较小。620℃时效态TC4 ELI合金经高温处理后,强度略微升高;温度升至β相区时,组织粗化造成屈服强度突降,晶界α相的出现引起塑性突降;高温处理后,时效α相消失,冲击功得到较大程度的恢复。

爆炸加载TC4 ELI钛合金微损伤研究

用TNT炸药空中爆炸加载等轴组织TC4 ELI钛合金板材,研究爆炸药量及距靶板中心距离对钛合金显微组织演化的影响,测试了爆炸加载后材料的力学性能。结果表明:爆炸加载后TC4 ELI钛合金显微组织内产生了大量形变带,形变带宽度为10~120μm;随着爆炸药量从200 g提高到300 g,形变带的数量及总宽度增加,形变带边界更加清晰;随着距靶板中心距离的增加,形变带数量不变,宽度增加。对爆炸加载回收靶板采用分离式霍普金森压杆(SHPB)进行动态压缩再加载试验,随药量和距靶板中心距离的增加,钛合金静动态抗压强度与断裂应变增加。动态再加载后产生了绝热剪切转变带,形变带对转变带的萌生及扩展过程影响较小。

TC4ELI钛合金疲劳裂纹路径偏折与寿命提升机制

作为深海载人装备结构的优选材料,TC4ELI(Extra-low-interstitial低间隙元素)钛合金的抗疲劳裂纹扩展性能至关重要。对TC4ELI的疲劳裂纹扩展行为进行系统测试与原位观测,同时选取传统TC4钛合金进行对比试验。结果显示,与TC4相比,TC4ELI具有更高的疲劳裂纹扩展寿命;同时,原位观察发现,TC4ELI的疲劳裂纹扩展存在明显偏折现象,导致裂纹路径比TC4更为曲折。进一步,综合利用微观表征手段对TC4ELI疲劳断口、材料组份、裂纹路径区域微结构进行系统的分析。在此基础上,利用有限元模拟计算裂纹扩展驱动力随偏折角度的变化规律,并分析裂纹偏折对TC4ELI疲劳扩展寿命的影响机理。研究对TC4ELI深海装备结构的损伤容限设计提供了参考。