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含氢的新型钛合金的疲劳行为研究

何晓  
【摘要】: 本文介绍了前人在疲劳理论方面的研究成果,重点论述了近年来有关氢对钛合金疲劳性能的影响方面的理论和实验研究进展,在此基础上,研究了氢对两种新型钛合金Ti-2Al-2.5Zr和Ti-4Al-2V静拉伸性能和疲劳性能的影响,并考察了频率和载荷比对含氢的两种材料的影响规律,讨论了氢在动态载荷和静态载荷下对裂纹扩展的影响程度,提出了氢影响疲劳性能的微观机理,建立了相关的几何模型和数学模型。 实验采用厚度2.0mm的退火薄板,根据应用要求将试样分为自然含氢量、充氢100μg/g、150μg/g和270μg/g四组,用漏斗形试样测定了氢对疲劳形变和疲劳裂纹萌生的影响曲线,用CT(紧凑拉伸)试样测定氢对疲劳裂纹扩展速率da/dN的影响曲线,并对试样进行了金相观察、TEM分析和断口分析。 研究表明,充氢对Ti-2Al-2.5Zr合金的抗拉强度和屈服强度基本没有影响,但可使Ti-4Al-2V合金的强度提高约16%,充氢使两种材料的断面收缩率明显下降。 Ti-2Al-2.5Zr合金充氢后使疲劳裂纹萌生寿命大幅下降,自然含氢量的材料具有最高的疲劳寿命。疲劳载荷较大时,氢含量在100~270μg/g内变化对疲劳裂纹萌生寿命几乎没有影响,疲劳载荷较小时,氢含量越高,疲劳寿命越低。氢对Ti-4Al-2V合金疲劳寿命的影响较小,在较大疲劳载荷下,氢含量在100~280μg/g内变化对疲劳裂纹萌生寿命影响微弱,但明显高于自然含氢量的材料的疲劳寿命,这是由于充氢使这种材料的屈服强度提高的缘故。疲劳载荷较小时,与Ti-2Al-2.5Zr合金类似,氢含量越高,疲劳寿命越低。 氢含量对Ti-2Al-2.5Zr和Ti-4Al-2V合金疲劳裂纹扩展速率有明显影响。对Ti-2Al-2.5Zr合金,氢含量越高,裂纹发生失稳快速扩展时应力强度因子越低,这是由于氢化物降低了材料的断裂韧性;对Ti-4Al-2V合金,含氢280μg/g时 裂纹的近门槛扩展速率最低,这主要是由于固溶氢原子促进了材料局部塑性变 形,使塑性诱发的裂纹闭合效应显著。氢含量对两种材料的疲劳裂纹稳态扩展 速率没有影响。 频率在3一15Hz变化时对充氢的Ti一4AI一ZV材料的疲劳断裂累积形变量和疲 劳寿命有影响,但对自然含氢量材料没有明显的影响。当充氢11609/g时,频 率升高,循环总应变量降低,疲劳寿命提高。这与氢原子促进材料塑性变形机 制有关。 载荷比对Ti一 ZAI一2.52:材料的循环形变和疲劳寿命有明显影响。较高的载荷 比使材料在疲劳历程中的塑性变形速率下降。载荷比越高,氢对材料疲劳寿命 的不利影响越大。 通过对比含氢110pg/g的Ti一ZAI一2.szr材料静载延迟断裂特性,发现在相 同氢含量下氢对动态加载和静态加载下的裂纹扩展速率的影响程度不同,在静 态加载下发生典型的氢原子的扩散聚集和在裂纹尖端析出氢化物的过程,从而 发生氢致延迟断裂;而在疲劳载荷下氢的影响远远弱化,这主要是因为疲劳载 荷对材料的累积损伤掩盖了氢的影响。 总的来说,对于这两种新型钦合金,氢对疲劳性能有较为明显的影响,但 氢对两种材料的微观作用模式有区别。对Ti‘ZAI一2.52:材料,固溶氢原子的含量 很少而氢化物的含量较大,因而氢化物的影响占主导;对Ti一4AI一ZV材料则相反, 固溶氢原子的含量较大而氢化物的含量很少,因而固溶氢原子的影响占主导。


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