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TC4钛合金冲击弯曲韧度的测试方法

发布时间:2020-04-18 14:48:35 - 点击数:-TAG: - 关键词:TC4钛合金冲击弯曲韧度的测试方法
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随着航空发动机制造业的发展,在要求提高其工作温度的同时,也要求减轻发动机结构件的质量,以进一步达到提高发动机推重比的目的。因钛合金具有质量轻、强度高的特点,故在航空发动机制造方面得到了广泛应用。

TC4(Ti-6Al-4V)钛合金是一种综合性能优良的α+β两相变形钛合金,在400℃左右具有良好的热强性能,还具有优良的热加工工艺性能,主要用于制造飞机结构件及叶片等零件,冲击弯曲韧度(简称KCT)是该合金的一项重要的性能指标。

某航空发动机公司的大运TC4合金风扇转子叶片,要求对TC4钛合金材料必须经KCT测试合格后方可使用,但在行业中还没有有关KCT测试的标准,采用了前苏联标准ΓOCT9454《金属低温、室温和高温冲击弯曲试验方法》,参考了GB/T 229-2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》、GB/T 2038-1991《金属材料延性断裂韧度JIC试验方法》、GB/T 3808-2002《摆锤式冲击试验机的检验》、GB/T 6398-2000《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》、GB/T 8170-2008《数值修约规则与极限数值的表示和判定》,并结合试验设备情况,对在TC4钛合金室温KCT测试过程中遇到的难点,如试样加工、裂纹预制以及断后面积测量等进行了研究和探讨,并通过试验选择出合适的参数加以解决。

试验用材料为TC4钛合金Ø120 mm棒材,其化学成分及力学性能均符合GB/T 2966-1982《优质TC4钛合金棒材》的规定。

试样的尺寸与形状如图1所示,其制备方法与一般冲击试样的不同,它除按一般试样进行加工外,还需在冲击试样的缺口尖端预制1.5 mm深的裂纹。在铣床、刨床、磨床上进行试样加工时,应根据该材料的特点,合理选择刀具、磨具材料及几何参数,充分使用冷却液,选择适当的切削速度及走刀量,以防止烧伤和挤裂现象。预制裂纹在SDM100型电液伺服动静疲劳试验机上进行。先用线切割在冲击试样的缺口尖端切割出一定深度的窄缝,再选定合适的动负荷加载在试样上,使预制裂纹深度达到1.5 mm,在预制到规定尺寸裂纹时所需的循环周次不得少于3000次(该试验所用的循环次数在30000~45000次,频率在20~30 Hz)。对于长度为55 mm的试样,在其全长上形成的残余挠度不得超过0.25 mm(该试样上的残余挠度均小于0.02 mm),试样两侧的预制裂纹深度测量值相差均不大于0.3 mm。

 

 

图1 带T型应力集中源(疲劳裂纹)的试样(mm)

冲击试验是在ZBC2302N-3型冲击试验机上进行,试样支座及摆锤刀刃如图2所示。断口面积的测量在JX-1型实体工具显微镜上进行(放大倍数为50倍,其分辨力为0.01 mm)。

 

 

图2 试样支座及摆锤刀刃(mm)

冲击试验后按ΓOCT9454标准中的下式计算KCT值(J/cm2):

KCT=K/S0

S0=H1×B

式中:K为冲击功,J;S0为试样冲击断裂的净截面,cm2。

如图3所示,H1等于全高度H和试样断口表面应力集中区计算深度hp之间的差值。如有需要,可将ac均分成5段分别测出hp值,再进行计算。

 

 

图3 冲击试样的断口尺寸测量

棒材的规格为Ø120 mm,按材料验收规范要求每组冲击试样取两支。

经整体热处理(退火795 ℃×3 h AC)后取两支纵向试样,其冲击功分别为14.9 J和13.9 J,其有效截面积分别为0.752 cm2和0.751 cm2,经计算得KCT分别为19.8 J/cm2和18.5 J/cm2。

从棒材上沿纵向切取两支Ø13 mm×80 mm小试样,经同样工艺热处理后其冲击功分别为10.5 J和12.1 J,其有效截面积分别为0.767 cm2和0.759 cm2,经计算得KCT分别为13.7 J/cm2和15.9 J/cm2。

一些对安全性能要求较高的飞行器,其重要构件若带有一定长度的裂纹或缺陷,当其受到冲击或疲劳负载的作用时,寿命必将缩短,因此对其寿命长短的判断是非常重要的。为此,引入了损伤容限设计或不完整设计原则,必须对设计中使用的参数进行测试和研究,其中对于KCT的测试,即对试样服役裂纹扩展抗力的评定,就是其中重要的一部分。

金属材料在冲击载荷作用下的失效表现为弹性变形、塑性变形和瞬间断裂3个阶段,冲击吸收功AK实际上由3部分组成:

AK=AB+AD+AP

式中:AB为消耗于试样弹性变形的弹性功;AD为裂纹形成前消耗于试样塑性变形的塑性功;AP为裂纹产生后直到试样完全断裂,消耗于裂纹扩展的功。

因此,前苏联的冲击试验方法中除了U型和V型缺口试样外,还给出了T型缺口试样,并将带有疲劳裂纹试样的冲击韧度KCT规定为必须保证的性能指标。

上述试验与通常的冲击试验之间的不同点就在于预制裂纹及断后面积的测量及计算。预制裂纹时,ΓOCT9454标准要求循环周次不得小于3000次,上述试验中试样所用的循环次数在30000~45000次;对于长度为55 mm的试样,ΓOCT9454标准要求在其全长上形成的残余挠度不得超过0.25 mm,上述试验中试样上的残余挠度均小于0.02 mm;ΓOCT9454标准要求试样两侧的预制裂纹深度测量值相差应不大于0.3 mm,上述试验中试样两侧的预制裂纹深度测量值相差均不大于0.3 mm;ΓOCT9454标准要求断口用放大倍数不小于7倍的光学仪器测量且误差不大于0.05 mm,上述试验选用的是放大50倍的实体显微镜,且分辨力为0.01 mm。由试验过程和试验结果可以看出,试样的制备过程和数据的测试过程均符合ΓOCT9454标准的要求。

来源:《理化检验-物理分册》2015年第1期

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