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      TC4鈦合金沖擊彎曲韌度的測試方法

      發布時間:2020-04-18 14:48:35 - 點擊數:-TAG: - 關鍵詞:TC4鈦合金沖擊彎曲韌度的測試方法
      中化所檢測儀器

      隨著航空發動機制造業的發展,在要求提高其工作溫度的同時,也要求減輕發動機結構件的質量,以進一步達到提高發動機推重比的目的。因鈦合金具有質量輕、強度高的特點,故在航空發動機制造方面得到了廣泛應用。

      TC4(Ti-6Al-4V)鈦合金是一種綜合性能優良的α+β兩相變形鈦合金,在400℃左右具有良好的熱強性能,還具有優良的熱加工工藝性能,主要用于制造飛機結構件及葉片等零件,沖擊彎曲韌度(簡稱KCT)是該合金的一項重要的性能指標。

      某航空發動機公司的大運TC4合金風扇轉子葉片,要求對TC4鈦合金材料必須經KCT測試合格后方可使用,但在行業中還沒有有關KCT測試的標準,采用了前蘇聯標準ΓOCT9454《金屬低溫、室溫和高溫沖擊彎曲試驗方法》,參考了GB/T 229-2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》、GB/T 2038-1991《金屬材料延性斷裂韌度JIC試驗方法》、GB/T 3808-2002《擺錘式沖擊試驗機的檢驗》、GB/T 6398-2000《金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法》、GB/T 8170-2008《數值修約規則與極限數值的表示和判定》,并結合試驗設備情況,對在TC4鈦合金室溫KCT測試過程中遇到的難點,如試樣加工、裂紋預制以及斷后面積測量等進行了研究和探討,并通過試驗選擇出合適的參數加以解決。

      試驗用材料為TC4鈦合金Ø120 mm棒材,其化學成分及力學性能均符合GB/T 2966-1982《優質TC4鈦合金棒材》的規定。

      試樣的尺寸與形狀如圖1所示,其制備方法與一般沖擊試樣的不同,它除按一般試樣進行加工外,還需在沖擊試樣的缺口尖端預制1.5 mm深的裂紋。在銑床、刨床、磨床上進行試樣加工時,應根據該材料的特點,合理選擇刀具、磨具材料及幾何參數,充分使用冷卻液,選擇適當的切削速度及走刀量,以防止燒傷和擠裂現象。預制裂紋在SDM100型電液伺服動靜疲勞試驗機上進行。先用線切割在沖擊試樣的缺口尖端切割出一定深度的窄縫,再選定合適的動負荷加載在試樣上,使預制裂紋深度達到1.5 mm,在預制到規定尺寸裂紋時所需的循環周次不得少于3000次(該試驗所用的循環次數在30000~45000次,頻率在20~30 Hz)。對于長度為55 mm的試樣,在其全長上形成的殘余撓度不得超過0.25 mm(該試樣上的殘余撓度均小于0.02 mm),試樣兩側的預制裂紋深度測量值相差均不大于0.3 mm。

       

       

      圖1 帶T型應力集中源(疲勞裂紋)的試樣(mm)

      沖擊試驗是在ZBC2302N-3型沖擊試驗機上進行,試樣支座及擺錘刀刃如圖2所示。斷口面積的測量在JX-1型實體工具顯微鏡上進行(放大倍數為50倍,其分辨力為0.01 mm)。

       

       

      圖2 試樣支座及擺錘刀刃(mm)

      沖擊試驗后按ΓOCT9454標準中的下式計算KCT值(J/cm2):

      KCT=K/S0

      S0=H1×B

      式中:K為沖擊功,J;S0為試樣沖擊斷裂的凈截面,cm2。

      如圖3所示,H1等于全高度H和試樣斷口表面應力集中區計算深度hp之間的差值。如有需要,可將ac均分成5段分別測出hp值,再進行計算。

       

       

      圖3 沖擊試樣的斷口尺寸測量

      棒材的規格為Ø120 mm,按材料驗收規范要求每組沖擊試樣取兩支。

      經整體熱處理(退火795 ℃×3 h AC)后取兩支縱向試樣,其沖擊功分別為14.9 J和13.9 J,其有效截面積分別為0.752 cm2和0.751 cm2,經計算得KCT分別為19.8 J/cm2和18.5 J/cm2。

      從棒材上沿縱向切取兩支Ø13 mm×80 mm小試樣,經同樣工藝熱處理后其沖擊功分別為10.5 J和12.1 J,其有效截面積分別為0.767 cm2和0.759 cm2,經計算得KCT分別為13.7 J/cm2和15.9 J/cm2。

      一些對安全性能要求較高的飛行器,其重要構件若帶有一定長度的裂紋或缺陷,當其受到沖擊或疲勞負載的作用時,壽命必將縮短,因此對其壽命長短的判斷是非常重要的。為此,引入了損傷容限設計或不完整設計原則,必須對設計中使用的參數進行測試和研究,其中對于KCT的測試,即對試樣服役裂紋擴展抗力的評定,就是其中重要的一部分。

      金屬材料在沖擊載荷作用下的失效表現為彈性變形、塑性變形和瞬間斷裂3個階段,沖擊吸收功AK實際上由3部分組成:

      AK=AB+AD+AP

      式中:AB為消耗于試樣彈性變形的彈性功;AD為裂紋形成前消耗于試樣塑性變形的塑性功;AP為裂紋產生后直到試樣完全斷裂,消耗于裂紋擴展的功。

      因此,前蘇聯的沖擊試驗方法中除了U型和V型缺口試樣外,還給出了T型缺口試樣,并將帶有疲勞裂紋試樣的沖擊韌度KCT規定為必須保證的性能指標。

      上述試驗與通常的沖擊試驗之間的不同點就在于預制裂紋及斷后面積的測量及計算。預制裂紋時,ΓOCT9454標準要求循環周次不得小于3000次,上述試驗中試樣所用的循環次數在30000~45000次;對于長度為55 mm的試樣,ΓOCT9454標準要求在其全長上形成的殘余撓度不得超過0.25 mm,上述試驗中試樣上的殘余撓度均小于0.02 mm;ΓOCT9454標準要求試樣兩側的預制裂紋深度測量值相差應不大于0.3 mm,上述試驗中試樣兩側的預制裂紋深度測量值相差均不大于0.3 mm;ΓOCT9454標準要求斷口用放大倍數不小于7倍的光學儀器測量且誤差不大于0.05 mm,上述試驗選用的是放大50倍的實體顯微鏡,且分辨力為0.01 mm。由試驗過程和試驗結果可以看出,試樣的制備過程和數據的測試過程均符合ΓOCT9454標準的要求。

      來源:《理化檢驗-物理分冊》2015年第1期

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