锻造工艺对TC4-DT和TC21损伤容限型钛合金疲劳裂纹扩展速率的影响

研究了不同锻造工艺(近β锻造、准β锻造、两相区锻造)对TC4-DT和TC21损伤容限型钛合金疲劳裂纹扩展速率的影响,对比分析了不同锻造工艺的微观组织和疲劳裂纹扩展路径的关系.研究结果表明,与两相区锻造和近β锻造相比,TC4-DT和TC2l钛合金经准β锻造后的疲劳裂纹扩展速率最低.准β锻造的锻件疲劳裂纹扩展路径曲折程度大,断口表面粗糙度大,有效地降低了疲劳裂纹扩展速率.     

损伤容限钛合金的研究进展及应用现状

本文综述了Ti-6Al-4V ELI, TC4-DT, TC21和TA15 ELI四种损伤容限钛合金的研究新进展及其应用.指出Ti-6Al-4V ELI损伤容限合金在国外已经成功应用于飞机制造中,而 TC4-DT, TC21, TA15 ELI三种损伤容限钛合金在国内处于开发研究阶段.重点介绍了TC4-DT, TC21, TA15 ELI的断裂韧性、疲劳裂纹扩展速率等损伤容限性能及其影响因素,指出片层组织有利于损伤容限性能的提高.     

Tc11钛合金盘的显微组织断裂形态及断裂韧性间的关系

经常规锻造、近β锻造和β锻造的Tell(Ti—6.5Al—3.5Mo—1.5Zr—0.3Si)钛合金盘获不同的显微组织,对应了不同的断裂韧性。在常规锻造的等轴组织中,虽然可以观察到穿过等轴α相的二次裂纹,但裂纹扩展路径平直,分枝少,断裂表面光滑平整,因而断裂韧性低。近β锻造得到双态组织,由于等轴α相含量的减少,魏氏α相比例增多和形态的改变,二次裂纹增加,断裂韧性显著提高。在β锻造的网篮组织中,α条上的疲劳条带和二次裂纹明显增加,裂纹扩展路径曲折,分枝多,故断裂韧性最高。可见,显微组织影响盘件断裂韧性的主要因素在于,裂纹扩展过程中产生的裂纹分枝、疲劳条纹和二次裂纹的密度以及裂纹扩展路径的曲折程度。     

TC4-DT钛合金电子束焊接接头的损伤容限性能

针对TC4-DT钛合金厚截面锻件开展了电子束焊接工艺实验和接头力学性能测试与分析.结果表明,TC4-DT钛合金不仅具有良好的焊接工艺特性,而且电子束焊接接头具有高的损伤容限性能.接头的断裂韧性优于母材并且比母材有更高的疲劳裂纹扩展抗力.     

温度对TC4-DT损伤容限型钛合金疲劳裂纹扩展行为的影响

对TC4-DT损伤容限型钛合金在150℃,25℃下的疲劳裂纹扩展速率da/dN进行了测试,给出了扩展速率和应力强度因子幅值△K之间的关系曲线.用SEM对2种温度下断口形貌进行了观测,实验结果表明,150℃的疲劳裂纹扩展速率试样具有较低的疲劳裂纹扩展速率,25℃的疲劳裂纹扩展速率试样具有较低的门槛值;稳态扩展区解理断裂和条带循环机制共存,150℃的da/dN试样中的疲劳辉间距比25℃试样细;快速扩展区的断口形貌呈韧窝型静载断裂特征,150℃的da/dN试样中的韧窝比25℃试样深.     

激光熔覆修复对TC4钛合金疲劳裂纹扩展速率的影响

为了研究激光熔覆修复对TC4钛合金疲劳裂纹扩展速率的影响,采用激光熔覆技术,通过逐层堆积TC4钛粉,对TC4钛合金板表面凹槽进行修复。利用光学显微镜和扫描电镜分别观测试样的微观结构和疲劳断口,采用疲劳裂纹扩展实验测定试样裂纹长度与循环次数,利用修正的七点递增多项式拟合法获得每组3个试样在相同裂纹长度下的疲劳裂纹扩展速率。实验结果表明:激光修复区由β晶粒和沿晶界连续分布的α相组成,属于典型的魏氏组织,热影响区由等轴的α晶粒和β转变组织组成,属于典型的双态组织;同母材相比,激光熔覆修复件疲劳裂纹扩展速率显著降低。TC4钛合金熔覆修复件抗疲劳裂纹扩展能力的提高归因于魏氏组织断裂韧性高和双态组织优异的综合力学性能。     

Ti-6Al-4V钛合金的疲劳裂纹扩展规律

针对熔模铸造Ti-6Al-4V钛合金的等幅疲劳裂纹扩展速率和疲劳裂纹扩展门槛值进行了研究。结果表明：该钛合金CT试样的疲劳裂纹扩展门槛值高于CCT试样的疲劳裂纹扩展门槛值,同一类试样的疲劳裂纹扩展门槛值随着应力比的增加呈下降趋势;疲劳裂纹扩展速率随着平均应力的增加以及应力水平的增加而增大;根据疲劳裂纹扩展试验数据拟合了Ti-6Al-4V钛合金Paris方程和Walker方程中的相关材料参数,以为材料的使用寿命评估及损伤容限设计提供参考。     

激光选区熔化TC11钛合金的断裂机理及异种载荷下裂纹扩展研究

目的 基于航天航空领域损伤容限性钛合金的设计理念,研究沉积态TC11钛合金拉伸速率相关的断裂机理及异种载荷形式下裂纹扩展路径。方法 采用电子背散射衍射(EBSD)表征由激光选区熔化(SLM)制备的沉积态TC11钛合金的晶粒形貌,利用扫描电子显微镜分析不同应变速率下TC11钛合金的断口形貌和缺陷分布,针对无法原位实时追踪裂纹扩展路径的问题,利用Abaqus相场UEL对裂纹扩展进行研究。结果 沉积态TC11钛合金中,∥BD截面上的晶粒主要为柱状晶并有少部分等轴晶,⊥BD截面上的晶粒全部为等轴晶,组织为由密排立方结构(HCP)的针状α相构成的马氏体,无明显晶粒取向;瞬时载荷下,载荷为1、1.5、2 MPa时,切向裂纹宽度分别为0、7.69、14 mm,角度分别为108°、92°、82°;周期载荷下,载荷为1、1.1、1.2、1.35、1.5 MPa时,裂纹宽度分别为15.56、11.87、26.23、20.51、20.92 mm。结论 随拉伸速率的增加,断裂机理由韧性断裂转化为脆性断裂;瞬时加载时,裂纹萌生并切向扩展,进而裂纹分叉直至完全断裂,且载荷的增加对沉积态TC11钛合金切向裂纹有促进作用,同时可抑制裂纹的分叉;周期加载时,载荷的增加对裂纹宽度先是起促进作用,裂纹达到最大值后稳定在25~20 mm。     

TC11钛合金全范围疲劳裂纹扩展速率表征

通过疲劳裂纹扩展试验研究了TC11钛合金在不同取向及应力比下的疲劳裂纹扩展行为。结果表明:在相同应力强度因子的情况下,随着应力比的增大,TC11钛合金的疲劳裂纹扩展速率增大。通过TC11钛合金的拉伸性能对裂纹扩展门槛值进行估算,得到了可以对TC11钛合金进行全范围疲劳裂纹扩展速率预测的疲劳裂纹扩展模型,为进一步估算其疲劳寿命提供了依据。     

激光增材制造体育器材用TC4钛合金疲劳裂纹扩展行为研究

目的 揭示应力比对增材制造TC4钛合金疲劳裂纹扩展行为的影响规律。方法 采用紧凑型拉伸试样,在恒载荷幅条件下对激光增材制造TC4钛合金进行了应力比为0.1、0.3和0.5的疲劳裂纹扩展实验,定量评价了不同应力比下合金的疲劳裂纹扩展速率和变化规律。基于Paris公式对裂纹扩展速率进行了拟合,分析了应力比对各参数的影响规律。最后通过扫描电镜对断口表面形貌进行了观察,分析了应力比对断裂模型的影响。结果 在相同的?K条件下,疲劳裂纹扩展速率随着应力比的增大而增大。在Paris公式中,参数C随应力比的增大而减小,参数m随应力比的增大而增大,并且m和lg C呈现线性关系。随应力比的增大,断口表面的河流花样增多、疲劳辉纹变浅、二次裂纹数量增加。结论 应力比引起的裂纹尖端闭合效应和平面应力比变化是导致裂纹扩展速率发生改变的主要原因。     

钛合金双片层组织对性能的影响

研究了通过热处理制度调整,在合金α片层之间形成细小的条状次生α相,形成一种新型的钛合金显微组织——双片层组织.通过对比等轴组织、双态组织、片层组织和双片层组织的性能,结果表明,在合金的强度和塑性不损失的条件下,双片层组织进一步提高了裂纹在合金中的扩展阻抗,使得合金的断裂韧性得到改善,疲劳裂纹扩展速率得到降低.双片层组织...     

2219铝合金TIG和FSW接头力学及疲劳性能

目的 研究钨极氩弧焊(TIG)和搅拌摩擦焊(FSW)对2219铝合金(母材)力学及疲劳性能的影响。方法 通过拉伸试验,得到了母材、TIG和FSW接头的抗拉强度和伸长率;通过疲劳性能试验测试了母材、TIG和FSW接头在不同应力下相应的疲劳寿命,根据疲劳试验结果绘制了其试样的S-N曲线;使用扫描电子显微镜观察并分析了疲劳断口的形貌特征。结果 未焊接的铝合金母材抗拉强度和伸长率最高,分别为506 MPa和15.92%;TIG接头抗拉强度和伸长率分别为330 MPa和7.65%,FSW接头抗拉强度和伸长率分别为310 MPa和8.74%。母材、TIG和FSW接头等3种疲劳试样在2×10⁶次循环下的疲劳强度分别为129、108、115 MPa,其疲劳断口均可分为裂纹源区、裂纹扩展区和瞬间断裂区,疲劳裂纹分别起始于试样表面的局部变形区、第二相夹杂物和“吻接”缺陷。疲劳裂纹扩展区的主要形貌为疲劳辉纹和二次裂纹,瞬间断裂区以脆性断裂为主。结论 TIG和FSW等2种焊接工艺均导致了2219铝合金的强度、塑韧性和疲劳性能降低,其接头表面的第二相夹杂物和“吻接”缺陷促进了疲劳裂纹的萌生。     

Determination of fracture toughness from thin side-grooved specimens

Methods of determining fracture toughness from specimens of thickness lower than that required by ASTM Standard, E399 were studied using aluminum and titanium alloy specimens. In thin specimens in which crack growth initiation is clearly marked by a sudden change in the slope of the load-displacement curve, the stress intensity at the crack growth initiation point was found to be the same as the standard fracture toughness value. Crack growth initiation was more easily identifiable in the aluminum alloys than in the titanium alloy, although the latter was more brittle. Side grooves enable identification of crack growth initiation in thinner specimens, reducing considerably the thickness requirement for fracture toughness testing. A nearly straight crack front was found to be essential for obtaining reproducible results. Sharp and deep side grooves produced fatigue cracks leading at the edges.     

TA15钛合金两类组织对疲劳性能和断裂韧度的影响

研究了TA15钛合金片状和双态两种典型组织对疲劳性能和断裂韧度的影响,结果表明:在S-N曲线的高应力区,双态组织的疲劳强度高于片状组织;在低应力区,情况则相反,且片状组织的疲劳极限(656MPa)高于双态组织(565MPa).片状组织的疲劳裂纹扩展速率低于双态组织,且断裂韧度K1C高于双态组织,即片状组织的损伤容限性能优于双态组织.     

ZTC4（Ti-6Al-4V）铸造钛合金的室温低周疲劳行为

研究了ZTC4钛合金应变控制的室温低周疲劳行为,对循环应力-应变和应变疲劳寿命数据进行了分析,通过双对数线性回归处理,得出了Manson-Coffin处理模型的疲劳参数。结果表明：ZTC4钛合金总应变幅在0.6%～0.8%时,材料存在轻度循环软化的现象;总应变幅为0.4%～0.5%时,循环初期表现出循环硬化的现象,而后循环软化。合金的疲劳裂纹萌生于试样表面,裂纹扩展区存在明显的疲劳条带,合金疲劳断口呈现韧性断裂特征。     

Effect of build direction on the fracture toughness and fatigue crack growth in selective laser melted Ti‐6Al‐4 V

Experimental investigation was conducted to evaluate the fracture toughness and fatigue crack growth characteristics in selective laser‐melted titanium 6Al‐4 V materials as a follow‐on to a previous study on high cycle fatigue. For both the fracture toughness and crack growth evaluation, the compact tension specimen geometry was used. It was found that the fracture toughness was lower than what would be expected from wrought or cast product forms in the same alloy. This was attributed to the rapidly cooled, martensitic microstructure, developed in the parts. At low stress ratios, the crack growth rates were faster than in wrought titanium but became comparable at higher ratios. The fracture toughness appears to be higher when the crack is oriented perpendicular to the build layers. The difference in the average threshold and critical stress intensity values for the crack growth results for the three orientations was within the scatter of the data, so there was essentially no difference. The same was true for the empirically derived Paris Law constants. Residual stresses were likely to have overshadowed any variation in crack growth because of microstructural directionalities associated with build orientation.     

两种组织TC11钛合金薄板弯曲疲劳性能的研究

本研究选取了具有（α＋β）等轴组织和α／β粗片层组织的TCll钛合金作为研究对象,采用研究了TCll合金薄板样品在恒总应变幅控制下的弯曲疲劳性能及其损伤行为,通过对疲劳开裂路径和断裂的观察与表征,探讨了疲劳损伤与组织结构间的关系。研究发现,恒总应变幅控制下的等轴组织TCll钛合金薄板的弯曲疲劳性能明显的高于粗片层组织合金。等轴组织合金的疲劳裂纹沿α相中的滑移带萌生并扩展,片层组织样品疲劳裂纹沿着α相或与片层垂直的方向扩展。     

超声载荷下TC4钛合金的疲劳寿命分析

通过计算裂纹尖端应力强度因子及疲劳裂纹扩展速率da/d N,由C.Paris模型推导出安全寿命Nf,由Bathias公式计算"哑铃"状钛合金试样的裂纹扩展寿命。通过理论计算和有限元分析超声疲劳"哑铃"状试样,得出应力最大位置。利用有限元仿真和实验数据分析TC4钛合金疲劳寿命。在20 k Hz的超声疲劳试验中,试样的断口位置表明:TC4钛合金材料内部缺陷是试样萌生裂纹使断裂位置偏离最大应力处的主要原因。并得出疲劳裂纹萌生阶段寿命决定"哑铃"状试样的疲劳寿命。     

THE SIZE OF PLASTIC ZONES AND FATIGUE CRACK GROWTH BEHAVIOUR OF THREE FORMS OF A Ti–6Al–2.5Mo–1.5Cr ALLOY

The effect of microstructure on the fatigue properties of Ti–6Al–2.5Mo–1.5Cr alloy was investigated. The experimental results for both the fatigue crack initiation and propagation behaviour, as well as the dynamic fracture toughness ( K _Id ) showed clearly that a lamellar microstructure is superior to two other structures. It was found that, as in the case of steels, the initiation and subsequent growth of cracks in the titanium specimens with a sharp notch may also occur on loading levels below the threshold values of the K factor (Δ K _th ) determined for long fatigue cracks. In addition, measurements by interferential-contrast of the plastic zone size on the surface of specimens revealed that the different rate of crack growth at identical values of Δ K in individual structural states can roughly be correlated with the size of the plastic zone. A general relationship between the fatigue crack growth rate and plastic zone size, the modulus of elasticity and the role of crack tip shielding is discussed.