顯微組織與微量氫對鈦合金電子束焊接接頭疲勞特性的影響.pdf

1、由于具有優(yōu)良的拉伸、疲勞強(qiáng)度與耐腐蝕性能的優(yōu)點(diǎn)，鈦合金在航空、化學(xué)工程及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。對于航天用鈦合金，疲勞性能是一個(gè)重要的參數(shù)，特別是用作結(jié)構(gòu)材料，焊接是一種必不可少的手段，焊接后焊接接頭中存在較大組織與力學(xué)性能的不均勻性，對其疲勞性能也有深刻的影響。鈦與氫具有很好的結(jié)合力，焊接接頭中微量氫的存在，對焊接接頭的性能將產(chǎn)生深刻的影響，許多研究都致力于找出氫對鈦合金性能影響的機(jī)理。本文對TC4與TA15兩種鈦合金電子束焊接接頭的分區(qū)

2、疲勞擴(kuò)展差異，結(jié)合裂紋尖端微區(qū)形態(tài)分析，探討了顯微組織對合金疲勞行為的影響；并對微量的氫元素對鈦合金的疲勞性能進(jìn)行研究，為鈦合金的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。
　　 本文的主要研究內(nèi)容及成果為：
　　 ①疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)表明：距焊縫上表面5/6處裂紋擴(kuò)展速率最快，1/6處速率次之，3/6處裂紋擴(kuò)展最慢，且研究中硬度梯度越大處，裂紋擴(kuò)展速率越高；焊接接頭分區(qū)裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)表明：熱影響區(qū)裂紋擴(kuò)展速率最高，其次為焊縫區(qū)，母材區(qū)裂紋擴(kuò)展

3、最緩慢。母材等軸組織裂紋擴(kuò)展抗力最大；焊縫區(qū)馬氏體成束分布且取向各異，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展路徑曲折，裂紋擴(kuò)展抗力居中；熱影響區(qū)硬度梯度最大，疲勞過程中，α相與馬氏體變形不匹配，裂紋擴(kuò)展抗力最低。
　　 ②疲勞裂紋尖端的微區(qū)形態(tài)研究表明：經(jīng)歷疲勞循環(huán)后，位錯(cuò)密度大大增加，α/β相界面位錯(cuò)密度高，易成為位錯(cuò)形核的源區(qū)。焊縫區(qū)馬氏體板條之間的細(xì)碎相細(xì)碎相易成為疲勞裂紋形核的“軟點(diǎn)”，焊縫區(qū)較窄的馬氏體板條，易成為疲勞裂紋萌生的源區(qū)。熱影響區(qū)軟

4、質(zhì)α相與硬質(zhì)馬氏體相變形不匹配，大大降低了裂紋的擴(kuò)展抗力。此外，通過分區(qū)TEM對比研究，發(fā)現(xiàn)了焊縫區(qū)相對于母材更易萌生裂紋的相關(guān)證據(jù)。
　　 ③微量氫對TC4疲勞性能影響的研究表明：在置氫含量低于0.120 wt.％，氫以固溶形態(tài)存在于TC4中，疲勞壽命隨平均氫含量增加而急劇下降。氫的加入在一定程度上粗化了β相，β相粗化造成α與β相界面的協(xié)調(diào)能力下降，缺陷將沿α與β相界面聚集，從而成為二次裂紋源。在應(yīng)力作用下裂紋尖端聚積了原子氫

5、，加速了裂紋擴(kuò)展。氫含量的提高在增加TC4硬度的同時(shí)，減少了TC4的塑性與韌性。顯微組織分析表明，位錯(cuò)在次生的α、β相區(qū)聚集，且α/β相界往往是裂紋萌生的根源。固溶的原子氫導(dǎo)致駐留滑移帶軟化，降低了裂紋擴(kuò)展的門檻值，從而增加了裂紋的擴(kuò)展速率。
　　 ④微量氫對TA15疲勞性能影響的研究表明：置氫含量低于0.105wt.％，氫以固溶形態(tài)存在于TA15焊縫中，疲勞壽命及擴(kuò)展壽命隨平均氫含量增加劇烈下降。這是由于氫降低了合金的韌性并增

6、加了裂紋擴(kuò)展速率。母材比焊接接頭具有更高的裂紋擴(kuò)展抗力。組織分析表明，電子束焊接TA15鈦合金生成馬氏體α'相，由于馬氏體片束取向分布導(dǎo)致擴(kuò)展后期形成團(tuán)簇結(jié)構(gòu)；氫沿相界聚集，加速了裂紋沿馬氏體團(tuán)的擴(kuò)展速率，在斷口上留下了“胞狀”形態(tài)。馬氏體團(tuán)作為一個(gè)單元共同承受變形，固溶氫有加速裂紋沿“胞狀”組織邊界擴(kuò)展的作用。
　　 ⑤TA15小裂紋尖端微區(qū)形態(tài)研究中，測定了TA15的△K-da/dN曲線，擬合得到曲線方程為：da/dN=6.

7、93×10-10(△K)2.61，并通過計(jì)算得到裂紋尖端循環(huán)塑性區(qū)尺寸為166.17μm，研究發(fā)現(xiàn)TA15α相分布取向接近，加速了疲勞裂紋擴(kuò)展。對小裂紋階段的尖端形態(tài)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)了裂紋尖端塑性區(qū)及滑移帶特征；裂紋尖端塑性區(qū)對疲勞裂紋擴(kuò)展影響深刻。裂紋擴(kuò)展通過尖端銳化-粗化-再銳化的過程實(shí)現(xiàn)的，其過程伴隨著裂紋尖端位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、聚集及滑移帶形成，滑移在相界處發(fā)生一定角度的偏折，而由于TA15中α相分布取向接近，弱化了相界對裂紋擴(kuò)展的阻礙作