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钛合金的氢致延迟断裂行为研究

曹建玲  
【摘要】: 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TiH_2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:C_H=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K_I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K_I大于K_(th)时,裂纹开始扩展,其裂纹扩展速率(da/dt)随K_I的增加而稍稍增加或不变;K_I较大时(大于临界值K_(IH))进入第二阶段,即裂纹快速扩展阶段,da/dt随K_I增加而迅速增加,当K_I达到K_C时,试样失稳断裂。各试验条件下的K_(th)、K_(IH)、K_C值分别为: 室温下含氢110μg/g:45<K_(th)<47MPa/m~(3/2),54<K_(IH)<55MPa/m~(3/2),64<K_C<65 MPa/m~(3/2); 100℃下含氢110μg/g:50<K_(th)<51MPa/m~(3/2),54<K_(IH)<55MPa/m~(3/2),66<K_C<67MPa/m~(3/2); 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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