钛合金的氢致延迟断裂行为研究

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本文详细评述了国内外对钛合金的氢脆及相关问题的研究进展,并在此基础上,研究了氢对Ti-2Al-2.5Zr合金的组织结构和力学性能的影响,测试了氢在该合金中的溶解度,并对其氢致延迟断裂行为进行了分析研究,提出了氢致延迟断裂的断裂机理。 X射线衍射分析表明,Ti-2Al-2.5Zr为α钛合金,其晶格常数为α=0.295nm,c=0.468nm,充氢后该合金晶界和晶内都有面心立方结构的TiH2析出,其晶格常数为α=0.444nm,氢化物在α-Ti基体中随机分布,呈黑色针状,且随氢含量升高,氢化物增多,氢化物针变粗大。 通过研究Ti-2Al-2.5Zr合金的比热变化和氢含量的关系,得到氢在该合金中的的溶解度方程为:CH=16914exp(-1965.7/T),室温时氢在Ti-2Al-2.5Zr合金中的溶解度为24μg/g。 随氢含量增加,Ti-2Al-2.5Zr合金的强度略微增长,塑性明显下降。 恒载荷拉伸试验表明,含氢110μg/g在室温和100℃、含氢250μg/g和含氢490μg/g在100℃下的Ti-2Al-2.5Zr合金均出现氢致延迟断裂现象。由裂纹扩展速度(da/dt)和应力场强度因子KI的关系可看到,该合金的裂纹扩展分成两个阶段:裂纹扩展速度(da/dt)较小时为第一阶段,即稳态扩展阶段,在第一阶段,当应力场强度因子KI大于Kth时,裂纹开始扩展,其裂纹扩展速率(da/dt)随KI的增加而稍稍增加或不变;KI较大时(大于临界值KIH)进入第二阶段,即裂纹快速扩展阶段,da/dt随KI增加而迅速增加,当KI达到KC时,试样失稳断裂。各试验条件下的Kth、KIH、KC值分别为: 室温下含氢110μg/g:45<Kth<47MPa/m3/2,54<KIH<55MPa/m3/2,64<KC<65 MPa/m3/2; 100℃下含氢110μg/g:50<Kth<51MPa/m3/2,54<KIH<55MPa/m3/2,66<KC<67MPa/m3/2; 100oC下含氢250fig/g:35<Kth<36 Mp渝3\ 4lrtK;。<42 Mpaiffi3\ 53<几t54 MPa/m3Q. 100C下含氢 490 n g/g:36<Kh<37 MPa/m’“,42<K;。t44MPa/m‘Q,sl <Lt52 MPa/In’” 断口分析表明,该合金充氢后其室温时的氢脆敏感性大于100oC时的氢脆敏感性;且随氢含量升高,氢脆敏感性增加:在恒载荷的作用下,该合金裂 二纹开始扩展时显示的是韧性起裂;随裂纹增长,试样脆性断裂的比例增大。 该合金氢致延迟断裂的机理为:h)氢在应力作用下向裂纹尖端扩散;(b)在裂纹尖端形成氢化物并长大:k)主裂纹沿氢化物扩展;M 重复h人比、(c);k)最后断裂。
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