TC4钛合金和7475铝合金的长裂纹和小裂纹扩展特性的研究

第25卷　第6期

2005年12月　　

航　空　材　料　学　报

JOURNALOFAERONAUTICALMATERIALS

Vol.25,No.6December　2005

TC4钛合金和7475铝合金的长裂纹和

小裂纹扩展特性的研究

丁传富,刘建中,吴学仁

(北京航空材料研究院,北京100095)

摘要:研究了TC4钛合金和7475铝合金在应力比R=015,01。小裂纹试验采用单边缺口拉伸试样,,TC4钛合金在恒幅载荷下,未显示出小裂纹效应。。小裂纹起始寿命较长,裂纹起始寿命约占疲劳寿命的20%(R≤0)下的低应力强度因子范围内,存在经典的小裂纹效应,,夹杂质点团较之单个杂质点对裂纹的萌生更有害,15%～29%。

关键词:长裂纹;;小裂纹效应;铝合金;钛合金

中图分类号:TG115.5　　　　　　　　文献标识码:A　　　　　　　　文章编号:100525053(2005)0620011207

　　大量研究结果已经证实

[1～4]

,许多材料的小裂

σb

/MPa940500

表1　平均拉伸性能

Table1　Averagetensileproperties

MaterialsTC474752T7351

纹扩展行为明显与相应长裂纹(a>2mm)的扩展行

为不同。在名义的应力强度因子范围ΔK低于长裂纹的门槛值时,小裂纹仍在扩展;在门槛值以上区域,当ΔK相同时,小裂纹比长裂纹扩展得快,而且在负应力比条件下这种现象表现更为明显。这种被称之为“小裂纹效应”的存在,对于工程结构、特别是对以耐久性和损伤容限设计为主的航空结构尤为重要。在对工程结构的寿命预测中,如果仍以实验室的长裂纹数据预测小裂纹扩展阶段寿命,势必有可能导致偏于危险的设计。本工作针对航空结构中广泛应用的两种典型飞机结构材料———TC4钛合金和74752T7351铝合金,研究了它们在恒幅(应力比R=015,0和011)加载条件下,长裂纹和小裂纹起始与扩展的宏微观力学行为。

σ0.2

/MPa823430

δ5

/%1215

E

KIC

/GPa10370

/MPa m

1/2

—

52

长裂纹试验采用中心裂纹拉伸试样M(T),试

样尺寸:W=100mm,B=315mm(TC4)和310mm(7475),L=330mm。小裂纹试验采用单边缺口拉伸试样SENT,试样尺寸:W=50mm,L=300mm,单边半圆缺口半径r=312mm,缺口根部应力集中系数Kt=3.15,试样厚度B与M(T)试样相同。

试验载荷为恒幅加载,应力比R=-1,0和015。全部试验在MTS810/50KN液压伺服疲劳试验机上完成,试验环境为实验室空气。长裂纹门槛值试验采用手动逐级降载法,每级载荷的降载量为6%,每级载荷的裂纹扩展增量Δa=015mm,试验频率为5～30Hz。小裂纹长度监测采用复型法,有关小裂纹试验细节详见文献[5～7]。

1　试验方法

TC4钛合金为退火状态的国产轧制板材(δ=315mm),显微结构为等轴的α+β两相组织,平均

μm×μm×μm。7475晶粒尺寸:L×T×S方向=884

铝合金为T7351状态(过时效加预拉伸)的德国产轧制厚板(δ=17mm)。两种材料的常规力学性能示于表1。

2　实验结果

2.1　长裂纹扩展速率和疲劳门槛值

收稿日期:2004210222;修订日期:2004212217作者简介:丁传富(19442),男,研究员。

两种材料在三种应力比的恒幅加载条件下,长

ΔK的实验结果分别示于图1a裂纹扩展速率da/dN2

和b。由图显示,两种材料的长裂纹扩展行为表现

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出明显不同:对TC4钛合金,在dc/dN从10mm/

-7

cycle～2×10mm/cycle的宽范围数据段内,三个

ΔK数据基本呈彼此平行的三条直应力比的dc/dN2

线段,只是在接近门槛值时,曲线的斜率才急剧增

ΔK曲线加。对7475铝合金,三个应力比的dc/dN2

虽然大致呈彼此平行,但并非呈线性关系,而是由明显的多个折线段组成。两种材料的长裂纹扩展速率

和疲劳门槛值与应力比R之间存在明显的相关性。在给定的ΔK下,随应力比R的增大,裂纹扩展速率提高;疲劳门槛值ΔKth则随R的增加而降低。当应力比R=015,0和-1时,对TC4钛合金,对应的ΔKth分别为2102,2167和5153MPa对74752T7351铝合金,对应的ΔKth分别为1102,1187和3110MPa。

ΔK曲线图1R=0.5,0和-1条件下的长裂纹扩展速率dc/dN2

(a)TC4钛合金;(b)74752T7351铝合金　　　　　　　　　　　　　　　

ΔKfortwomaterialsatR=0.5,0and-1Fig.1　Long2crackgrowthratesdc/dN2

(a)TC4titaniumalloy;(b)74752T7351aluminumalloy　　　　

2.2　小裂纹扩展行为和微观特征2.2.1　小裂纹尺寸

在小裂纹试验中,用复型法对每个试样首次检

测的初始裂纹尺寸(2ai或ai)与对应的初始疲劳寿命Ni的检测结果表明,对TC4钛合金,在正常起裂情况下所检测的初始最小表面裂纹尺寸2ai=01028mm,初始的平均表面裂纹尺寸2ai=0103mm;所检测的初始最小角裂纹尺寸ai=01034mm;对应于首次检测的初始裂纹尺寸的初始疲劳寿命Ni约占疲劳总寿命Nf的20%～55%。对7475铝合金,所有的小裂纹均起始于孔壁表面,首次检测的最小表面裂纹尺寸2ai=01014mm,初始的平均表面裂纹

尺寸2ai=01021mm;初始裂纹的疲劳寿命Ni约占疲劳总寿命的15%～29%。这一结果显示,TC4钛合金小裂纹起始寿命较长,一旦检测出起始裂纹就以较快的速率扩展。74752T7351铝合金的起始寿命较短,大部分寿命消耗在小裂纹扩展阶段。2.2.2　小裂纹萌生位置

由复型照片和断口的扫描电镜(SEM)观察表明,TC4钛合金的小裂纹大多从半圆形缺口底部的孔角附近或孔壁表面上的机械缺陷或表面不连续处萌生。图2a中箭头所示处表示裂纹自距半圆缺口

μm的试样表面的一凹坑处 …… 此处隐藏：8614字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……