TA15 ELI钛合金损伤容限性能研究
Study on the damage tolerance behavior of TA15 ELI alloy
本文研究了热处理工艺对TA15 ELI合金组织特征参数及损伤容限性能的影响规律.系统地研究了TA15 ELI合金7种组织与拉伸力学性能、冲击韧性、断裂韧性、疲劳裂纹扩展速率的关系.并通过OM、SEM、TEM和EBSD研究分析了疲劳裂纹在TA15 ELI合金中的扩展规律和断裂机制. 结果表明:在(α+β)相区保温2h,以不同冷却速率(水冷、空冷和炉冷)冷却,对β转变组织中α片层的宽度有很大的影响.随冷却速率降低,β转变组织中α片层宽度增加,以致在炉冷时,获得了完全等轴组织;在β相区保温1h,冷却时,获得了片层组织,随冷却速率的降低,组织中α片宽度逐渐变大,α集束尺寸变大,而β晶粒尺寸变化不大. 无论是(α+β)相区还是β相区处理,随冷却速率降低,合金的拉伸强度降低,而塑性、冲击韧性、断裂韧性提高;相同冷却速率下,魏氏组织度的强度和裂韧性高于双态/等轴组织,而塑性和冲击韧性则低于双态/等轴组织. 对双态和等轴组织,冷却速率对疲劳裂纹在合金中的扩展速率没有影响.循环载荷下,β转变组织发生了循环硬化,强化了β基体,疲劳裂纹直接切过等轴α相扩展. 疲劳裂纹在魏氏组织中的扩展速率,远低于在双态/等轴组织中的扩展速率.采用空冷和炉冷制度获得的魏氏组织,在△K=26MPa.m〓时,疲劳裂纹扩展曲线出现了由组织敏感区向组织不敏感区变化的转折点.转折点处,疲劳裂纹尖端塑性区尺寸接近组织中α集束尺寸.△K26MPa.m〓时,裂纹扩展表现出对组织不敏感性,两种冷却速率下的魏氏组织疲劳裂纹扩展曲线基本重合.疲劳裂纹在魏氏组织中扩展时,主要沿与α相长轴方向平行和垂直的两个方向扩展,前者是由于α相基面滑移系的开动,后者可归因于α相柱面滑移系的开动. 对比等轴、双态和魏氏三种组织,采用β相区空冷获得的魏氏组织损伤容限性能最好,其显微组织参数为:原始β晶粒平均直径约665μm,α片平均宽度约2μm,α集束平均直径约80μm. 通过调节热处理制度,在魏氏组织α片层之间的β片层内,析出了细小的次生α相,形成了双片层组织.试验结果表明,该组织与魏氏组织相比,在较少损失屈服强度的前提下,显著提高了TA15 ELI合金的冲击韧性、断裂韧性,塑性也有所提高,在△K30MPa.m〓时,扩展曲线与β相区空冷魏氏组织扩展曲线基本重合.因此,可以认为双片层组织显著提高了TA15 ELI合金损伤容限性能.其显微组织特征参数为:原始β晶粒平均直径约650μm,α片平均宽度约3μm,α集束平均直径约70μm,次生α相平均宽度约0.4μm. 根据本文工作,可用断裂韧性K〓、疲劳裂纹扩展速率和显微组织特征参数来表征TA15 ELI合金损伤容限性能,显微组织特征参数为:α片宽度和α集束直径,以及双片层组织中次生α相尺寸.根据各种组织的剩余寿命计算结果可知,魏氏组织的损伤容限性能好于双态/等轴组织;在魏氏组织中,空冷所得组织的损伤容限性能较好;同时双片层组织大大提高了TA15 ELI合金的损伤容限性能. 关键词:TA15 ELI合金;损伤容限;断裂韧性;疲劳裂纹扩展
- 作者：
- 李士凯
- 学位授予单位：
- 北京有色金属研究总院
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2007年
- 导师姓名：
- 熊柏青；惠松骁
- 关键词：
- 钛合金；航空材料；热处理；断裂力学
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