钛合金因拥有密度低、比强度高、耐蚀性好、导热系数幼、无毒无磁性等个性，宽泛利用于飞机和飞机发起机结构，但是，飞机运行环境极度复杂，其结构必要经受较严格的高温环境和委顿载荷，容易造成委顿失效进而引发苦难性后果，其高温委顿裂纹扩大机能受到极大关注[1]，为此，国内表发展了大量的航空金属资料的高温裂纹扩大机能方面的钻研。吴欢等[2]通过试验钻研了高温对Ti40裂纹扩大机能的影响，了局批注，随着温度的升高，资料的裂纹扩大速度增长。Ding等[3]试验钻研了高温对Ti-6Al-4V委顿门槛值的影响，了局批注，高温加快了裂纹扩大的过程，但对裂纹扩大门槛值并无显著影响。ＺＨＡＮＧAlｉ等[4]、彭幼娜等[5]、Ｐｉｌｃｈａｋ等[6]别离对Ti60Ａ、TC4-DT、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si进行了委顿断口分析，钻研了高温环境对裂纹扩大过程的影响及其微观机造，了局批注，裂纹萌生于晶界、微孔等地位，随着温度的升高，裂纹扩大断面表表粗糙度增长，甚至会引起断裂模式从韧性微孔特点向晶界脆性特点变动。然而，黄新跃等[7]、Ｐｒａｓａｄ等[8]、Ｍｅｒｃｅｒ等[9]别离对TC11、TiｍｅｔAl834、钛铝合金进行的高温裂纹扩大钻研批注，裂纹扩大速度不愿定随着温度的升高而增长，甚至出现交叉与回转景象，可见温度对金属资料委顿裂纹扩大机能的影响相当复杂。此表，金属资料的委顿裂纹扩大机能还受到频率[10-11]、应力比[12-13]、组织状态[14-15]、热处置状态[16]、侵蚀环境[17-18]等多种成分的影响。由此可见，高温与载荷结合作用对裂纹扩大机能及危险机理的影响尚待进一步意识。
为此，本文以4种典型钛合金资料TC18、TC21、TC4-DT和Ti-6Al-4V/ELI作为钻研对象，进行了室温（25℃）和高温（250℃）下的恒幅裂纹扩大试验，通过试验数据对比和断口SEM分析，钻研了高温对航空钛合金资料委顿裂纹扩大机能的影响机造，为工程利用提供参考。
1、裂纹扩大试验
为了测定航空钛合金资料的裂纹扩大机能，造备了4种钛合金资料（TC18、TC21、TC4-DT、6Al-4V/ELI）的尺度Ｍ（Ｔ）试样，试样取向与加载方向一致，资料的机能如表1所示（式中Ｅ为弹性模量，σｂ为强度极限，σｓ为屈服极限，δ为延长率），其几何状态和设计尺寸如图1所示，其中长为300mm，宽为75mm，厚为5mm，两端各有4个直径为15mm的加载孔和1个直径为14mm的定位孔，中心处有1个直径为2mm的孔，孔的两侧通过线切割加工出长度为8mm的初始隐语，并做表表抛光处置。
依照美国资料与尝试协会（ASTM）尺度试验步骤[19]，裂纹扩大试验在ＭＴＳ-880-100ｋＮ委顿试验机上进行（如图2所示），试验选取恒幅加载步骤，应力比Ｒ＝-1，加载波形为正弦波，加载频率为ｆ＝10Ｈｚ。试验温度别离为室温25℃和高温250℃，高温由ＳＤＧＤＹＤ-180/＋350凹凸温环境试验箱（温度颠簸不超过2℃）节造。试验过程中，选取ＷＺＨＤ0850裂纹丈量系统（丈量精度为0.01mm）观测裂纹长度。
在试样夹持好后，对环境箱升温，达到试验指定温度。在保温30min之后，起头进行裂纹扩大试验，使用较大载荷，预造裂纹长度为1～2mm，而后，逐级降载直至裂纹扩大速度达到10-5mm/ｃｙｃｌｅ左右，纪录试验载荷，而后，维持该载荷持续进行试验，裂纹长度每增长0.3～0.5mm，；闪苛盐评┐蟪ざ龋峒捌湎嘤ρ反问，直至试样最终断裂。试验了局如图3所示，图中aav暗示ａ的均匀值，从图3中能够看出，随着循环次数Ｎ的增长，试样的裂纹扩大长度不休增长，同时，裂纹扩大曲线的斜率越来越大，注明裂纹扩大速度越来越快。
2、断口SEM分析
为了探索温度和载荷对航空钛合金资料裂纹扩大过程微观机造的影响，在裂纹扩大试验实现后，从裂纹扩大试样上切得断口纵切片（如图4所示），并利用JSM-6010LA型扫描电镜对断口描摹进行观测并纪录，揭示其失效模式和危险机理（如图5所示）。
从图4中能够看出，温度的扭转对钛合金资料的表表色彩的变动有很大影响，250℃下4种钛合金裂纹扩大断口均出现浅黄色。钛合金在温度幼于500℃时，合金表表迪胙与空气中的氧容易产生化学反映，天生一层不变的氧化物附着在裂纹表表，能够阻止氧向基体内部的扩散，从而，阻止钛的进一步氧化。凭据钛合金表表氧化色，能够判断其氧化水平，氧化色逐步变淡揭示了裂纹扩大的大体蹊径[20]。
从图5中能够看出，一样环境下，4种钛合金资料裂纹不变扩大阶段的断口描摹并没有性质差距：①室温环境下4种钛合金的委顿条带均出现显著的晶体学特点，这是由于室温下资料的脆性比力显著，晶界处位错阻力较大，裂纹沿着尖端左近分歧的晶面扩大，平直的委顿条带被台阶切割，天生大量的拥有破碎幼刻面的晶体学特点（见图5（ａ）、图5（ｂ）、图5（ｃ）和图5（ｄ））；②随着温度的升高，4种钛合金资料的韧性均得到加强，同时裂纹表表被空气氧化，天生的氧化产品附着在断口表表，使得委顿条带的脉络扁平吞吐（见图5（ｅ）、图5（ｆ）、图5（ｇ）和图5（ｈ））；③高温环境下，晶界处的高温氧化作用使得晶界脆化，减弱告终合力，加快了裂纹形核，推进滑移的产生，加快裂纹扩大的过程[21]，而随着温度的升高，资料的晶粒取向越发不规定，由于裂纹尖端较强的应力集中作用，高温下大量二次裂纹出现且委顿条带短促不陆续（见图5（ｅ）、图5（ｆ）、图5（ｇ）和图5（ｈ）），这使得断面表表粗糙度增长，二次裂纹的分支作用开释了裂纹尖端的能量，有助于提高韧性，强化了裂纹关合效应，进而有利于减缓裂纹扩大速度，这与文件[22]的钻研了局相吻合。
3、数据分析与会商
凭据ASTM试验步骤[19]，选取割线法，推算如图3所示的ａ-Ｎ曲线上相邻两个数据点的直线斜率（ｄａ/ｄＮ）ｉ及相应的应力强度因子幅值ΔＫｉ，即
式中ΔＰｉ为载荷幅值；Ｂ为试验件厚度；Ｗ为试样宽度；α为思考有限板宽的建改系数α＝2ａ/Ｗ。利用式（1）和式（2），推算得到的[ΔＫｉ，（ｄａ/ｄＮ）ｉ]数据如图6所示。选取Ｐａｒｉｓ公式，对[ΔＫｉ，（ｄａ/ｄＮ）ｉ]数据进行拟合，即
式中Ｃ和ｍ均为资料常数；ΔＫ为应力强度因子变程。利用式（3），推算得到拟合直线的系数Ｃ和ｍ的值及尺度差σ如表2所示，拟合曲线如图6所示，从表2和图6能够看出，Ｐａｒｉｓ公式拟合精度优良，反映裂纹扩大数据遵循Ｐａｒｉｓ模型。
凭据表2中拟合得到的Ｃ和ｍ值，能够获得高温相对于室温的Ｃ和ｍ变动率，即
式中Ｃｔ和ｍｔ别离为高温250℃下的Ｃ和ｍ值；Ｃｒｔ和ｍｒｔ别离为室温25℃下的Ｃ和ｍ值。利用式（4）和式（5），推算得到资料参数的变动率γＣ和γｍ如表3所示。
从图6和表2、表3的处置了局能够看出：
①在裂纹不变扩大区（1×10-5～1×10-3mm/ｃｙｃｌｅ）领域内，裂纹扩大速度ｄａ/ｄＮ均随着应力强度因子幅值ΔＫ的增长而加快，数据点[ΔＫｉ，（ｄａ/ｄＮ）ｉ]在双对数坐标下与拟合曲线的有关系数值均在0.9以上（见表2），出现出优良的线性拟合关系，这注明钛合金资料在高温下ｄａ/ｄＮ与ΔＫ之间依然遵从Ｐａｒｉｓ公式法规，利用该公式能够较好的表征钛合金资料的高温裂纹扩大机能；②一样应力强度因子幅值ΔＫ下，分歧温度下分歧资料裂纹扩大速度之间存在很大的差距性，注明高温对资料的委顿裂纹扩大机能的影响很复杂，其中，TC18钛合金250℃下的裂纹扩大速度略快于室温下（见图6（ａ）），两种温度下的Ｃ和ｍ相差不大，温度的变动对该资料的裂纹扩大机能影响不大；TC21钛合金250℃下的裂纹扩大速度显著慢于室温下（见图6（ｂ）），室温下的Ｃ值根基是高温下的10倍，两者相差一个数量级，ｍ值随着温度的升高而变大；TC4-DT钛合金在低ΔＫ下，250℃下的裂纹扩大速度慢于室温前提下，而在高ΔＫ下，情况刚好相反，即存在一个转捩的应力强度因子幅值，该值约为50ＭＰａ·ｍ0.5（见图6（ｃ）），室温下的Ｃ值根基是高温下的数倍，两者相差约半个数量级，ｍ值随着温度的升高而稍变大，经推算可得订交的ΔＫ＝50.47ＭＰａ·ｍ0.5，与观察了局相符；Ti-6Al-4Ｖ/ＥＬＩ钛合金250℃下的裂纹扩大速度要慢于室温下（见图6（ｄ）），室温下的Ｃ值根基是高温下的约2倍，ｍ值随着温度的升高而稍变大；③裂纹扩大阻力系数Ｃ在1.41×10-8和9.65×10-12之间变动（见表2），与室温相比，高温系数Ｃ的对数值中TC18降低2.2％，另表3种资料增大3.2％～11.2％，而裂纹扩大指数ｍ值在2.49～4.27之间变动，与室温相比，TC18的系数ｍ减幼5.3％，其他资料增长3.4％～16.5％（见表3），这充分注明温度对分歧钛合金资料的委顿裂纹扩大机能的影响成效不尽一样，甚至出现交叉景象。
为了便于比力分歧钛合金资料之间的裂纹扩大机能，将同种温度下的4种资料的ｄａ/ｄＮ-ΔＫ曲线绘造于统一坐标系下，如图7所示。室温25℃下，TC18和TC21的ｄａ/ｄＮ-ΔＫ曲线比力靠近，TC4-DT和Ti-6Al-4Ｖ/ＥＬＩ的ｄａ/ｄＮ-ΔＫ曲线根基沉合，TC18和TC21在低ΔＫ下的裂纹扩大速度显著快于TC4-DT和Ti-6Al-4Ｖ/ＥＬＩ，随着ΔＫ的增大，差距性逐步减。7（ａ））。
高温250℃下，3种钛合金资料TC21、TC4-DT和Ti-6Al-4V/ELI的ｄａ/ｄＮ-ΔＫ曲线比力靠近，在低ΔＫ下的裂纹扩大速度显著慢于TC18，随着ΔＫ的增大，差距性逐步减。7（ｂ）），这刚好和表3中4种资料的Ｃ和ｍ值的变动法规相一致。
4、结论
本文试验测定了TC18、TC21、TC4-DT和Ti-6Al-4V/ELI等4种钛合金资料在25℃和250℃下的委顿裂纹扩大机能，并进行了机能对比和SEM分析，得出了如下结论：
1）在裂纹不变扩大阶段，高温下钛合金资料的da/dＮ与ΔＫ之间的关系依然遵从Ｐａｒｉｓ公式，分歧温度下的系数值Ｃ和ｍ能够很好地反映出da/dＮ-ΔＫ曲线的变动。
2）温度变动对TC18裂纹扩大机能影响不大，随着温度的升高，和室温下的裂纹扩大速度相比，在一样的ΔＫ下，TC21和Ti-6Al-4V/ELI的裂纹扩大速度变慢，而TC4-DT陪伴着ΔＫ的增大，其速度经历了先变快后变慢的过程，这注明温度和载荷对钛合金裂纹扩大过程存在着交互作用。
3）无论室温还是高温，在4种航空钛合金中，TC18的裂纹扩大速度均是最快，室温下TC21相比TC18略慢，但快于TC4-DT和Ti-6Al-4V/ELI，而在高温250℃下，TC21和TC4-DT、Ti-6Al-4V/ELI的裂纹扩大速度较为靠近，机能相当。
4）SEM分析批注，温度升高导致钛合金委顿断口的表表粗糙度增长，高温下委顿裂纹短促不陆续并出现大量二次裂纹，同时氧化作用扭转了高温断口的色彩，使之出现出浅黄色；氧化作用加快裂纹成核，推进滑移的产生，加快裂纹扩大的过程，而断面表表粗糙度强化了裂纹关合效应，有利于减缓裂纹扩大速度，钛合金裂纹扩大的过程受到关合与氧化共同作用的影响，分歧温度下钛合金资料裂纹扩大速度的变动取决于裂纹关合和氧化作用之间的耦合成效。
参考文件：
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