【摘 要】
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钛合金具有比强度高、工作温度范围宽和腐蚀抗力优异等特点,广泛应用在飞机发动机上。如发动机压气机盘、压气机叶片和风扇叶片的首选材料。发动机钛合金零部件主要承受疲劳载荷谱,掌握其在变幅载荷作用下的疲劳行为具有重要意义。当前,恒幅载荷下钛合金的裂纹扩展特性研究较多,而对于变幅载荷下疲劳裂纹扩展特性的研究较缺乏,针对TC4-DT钛合金在恒幅过程中加入单个拉伸超载条件下的裂纹扩展特性开展了研究。本文进行了恒
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钛合金具有比强度高、工作温度范围宽和腐蚀抗力优异等特点,广泛应用在飞机发动机上。如发动机压气机盘、压气机叶片和风扇叶片的首选材料。发动机钛合金零部件主要承受疲劳载荷谱,掌握其在变幅载荷作用下的疲劳行为具有重要意义。当前,恒幅载荷下钛合金的裂纹扩展特性研究较多,而对于变幅载荷下疲劳裂纹扩展特性的研究较缺乏,针对TC4-DT钛合金在恒幅过程中加入单个拉伸超载条件下的裂纹扩展特性开展了研究。本文进行了恒幅载荷作用下TC4-DT钛合金的疲劳裂纹扩展试验,利用断口进行扩展寿命反推分析,研究了显微组织对裂纹扩展寿命的影响。结果表明:片状α相粗细和晶粒尺寸是影响试样疲劳总寿命的关键因素,显微组织中,较粗的片状α相增大了裂纹尖端的应变吸收能,能够延缓裂纹的扩展;较大的晶粒尺寸,对裂纹扩展有阻滞作用,降低裂纹扩展速率。为了研究在恒幅循环载荷中施加单个拉伸超载对裂纹扩展行为的影响,开展了8种不同超载比的裂纹扩展试验,观察分析了裂纹扩展路径、超载前后的断口断裂特征、超载前后断口附近维氏硬度的变化、单个拉伸超载对裂纹扩展速率的影响,基于Irwin塑性区模型计算塑性区的尺寸,得到的研究结果表明:1)裂纹扩展路径:裂纹从切口处起源,裂纹整体与加载方向垂直,扩展曲折或成锯齿状,扩展过程中出现了裂纹的分支与闭合。裂纹在片层组织中主裂纹的扩展路径为穿晶扩展,有的裂纹在晶内沿着晶内集束方向扩展模式、有的裂纹穿过集束方向扩展。2)对断口断裂特征的影响:当超载比为1.5和2.0时,断口上未能观察到超载线,当超载比为2.5、2.8、3.0、和3.2,在断口上能够观察到超载线,随着超载比的增加,超载线越来越明显;当超载比ROL=3.5时,经历了1.45×106循环后,未观察到疲劳裂纹扩展。观察超载前后的断裂特征发现,靠近超载线前的位置以疲劳条带特征为主,超载线后先观察到有快速扩展特征为韧窝+解理,接着观察到细密的疲劳条带,随后观察到断口呈疲劳条带+解理+韧窝混合特征。3)对显微硬度的影响:超载会导致硬度增加,使得超载施加位置的维氏硬度值高于两侧的维氏硬度值,这是因为较大的拉伸超载使得材料发生较大的塑性变形,使得材料硬化,导致硬度值升高。4)对裂纹扩展速率的影响:当超载比ROL=1.5时,拟合的曲线中,裂纹长度a随着循环周次N的增加而增加,未能明显观察出超载迟滞效应;当超载比ROL=2.0、2.5时,超载后裂纹长度a随循环周次N缓慢增加,经过迟滞循环数ND后,裂纹长度随着循环周次的增大快速增大,当超载比ROL=3.0、3.2时,施加超载后,裂纹长度a随着循环周次N的增大几乎保持恒定,从裂纹停滞之后再次扩展,裂纹长度a随循环周次N增大快速增长;经过一定的循环周次后,裂纹扩展速率从最小值开始逐渐增大,直到恢复超载前的水平位置,并继续按照等幅加载变化规律进行。5)塑性区的影响:单个拉伸超载施加,在裂纹尖端形成一个较大的单调塑性区,塑性区大致呈Y字型,并且随着超载比的增加,塑性区增大。
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