显微组织与微量氢对钛合金电子束焊接接头疲劳特性的影响

论文摘要

由于具有优良的拉伸、疲劳强度与耐腐蚀性能的优点,钛合金在航空、化学工程及医学等领域广泛应用。对于航天用钛合金,疲劳性能是一个重要的参数,特别是用作结构材料,焊接是一种必不可少的手段,焊接后焊接接头中存在较大组织与力学性能的不均匀性,对其疲劳性能也有深刻的影响。钛与氢具有很好的结合力,焊接接头中微量氢的存在,对焊接接头的性能将产生深刻的影响,许多研究都致力于找出氢对钛合金性能影响的机理。本文对TC4与TA15两种钛合金电子束焊接接头的分区疲劳扩展差异,结合裂纹尖端微区形态分析,探讨了显微组织对合金疲劳行为的影响;并对微量的氢元素对钛合金的疲劳性能进行研究,为钛合金的应用提供理论基础。本文的主要研究内容及成果为:①疲劳裂纹扩展速率试验表明:距焊缝上表面5/6处裂纹扩展速率最快,1/6处速率次之,3/6处裂纹扩展最慢,且研究中硬度梯度越大处,裂纹扩展速率越高;焊接接头分区裂纹扩展试验表明:热影响区裂纹扩展速率最高,其次为焊缝区,母材区裂纹扩展最缓慢。母材等轴组织裂纹扩展抗力最大;焊缝区马氏体成束分布且取向各异,导致裂纹扩展路径曲折,裂纹扩展抗力居中;热影响区硬度梯度最大,疲劳过程中,α相与马氏体变形不匹配,裂纹扩展抗力最低。②疲劳裂纹尖端的微区形态研究表明:经历疲劳循环后,位错密度大大增加,α/β相界面位错密度高,易成为位错形核的源区。焊缝区马氏体板条之间的细碎相细碎相易成为疲劳裂纹形核的“软点”,焊缝区较窄的马氏体板条,易成为疲劳裂纹萌生的源区。热影响区软质α相与硬质马氏体相变形不匹配,大大降低了裂纹的扩展抗力。此外,通过分区TEM对比研究,发现了焊缝区相对于母材更易萌生裂纹的相关证据。③微量氢对TC4疲劳性能影响的研究表明:在置氢含量低于0.120 wt.%,氢以固溶形态存在于TC4中,疲劳寿命随平均氢含量增加而急剧下降。氢的加入在一定程度上粗化了β相,β相粗化造成α与β相界面的协调能力下降,缺陷将沿α与β相界面聚集,从而成为二次裂纹源。在应力作用下裂纹尖端聚积了原子氢,加速了裂纹扩展。氢含量的提高在增加TC4硬度的同时,减少了TC4的塑性与韧性。显微组织分析表明,位错在次生的α、β相区聚集,且α/β相界往往是裂纹萌生的根源。固溶的原子氢导致驻留滑移带软化,降低了裂纹扩展的门槛值,从而增加了裂纹的扩展速率。④微量氢对TA15疲劳性能影响的研究表明:置氢含量低于0.105wt.%,氢以固溶形态存在于TA15焊缝中,疲劳寿命及扩展寿命随平均氢含量增加剧烈下降。这是由于氢降低了合金的韧性并增加了裂纹扩展速率。母材比焊接接头具有更高的裂纹扩展抗力。组织分析表明,电子束焊接TA15钛合金生成马氏体α’相,由于马氏体片束取向分布导致扩展后期形成团簇结构;氢沿相界聚集,加速了裂纹沿马氏体团的扩展速率,在断口上留下了“胞状”形态。马氏体团作为一个单元共同承受变形,固溶氢有加速裂纹沿“胞状”组织边界扩展的作用。⑤TA15小裂纹尖端微区形态研究中,测定了TA15的△K-da/dN曲线,拟合得到曲线方程为:da/dN=6.93×10-10（△K）2.61,并通过计算得到裂纹尖端循环塑性区尺寸为166.17μm,研究发现TA15α相分布取向接近,加速了疲劳裂纹扩展。对小裂纹阶段的尖端形态进行了研究,发现了裂纹尖端塑性区及滑移带特征;裂纹尖端塑性区对疲劳裂纹扩展影响深刻。裂纹扩展通过尖端锐化-粗化-再锐化的过程实现的,其过程伴随着裂纹尖端位错运动、聚集及滑移带形成,滑移在相界处发生一定角度的偏折,而由于TA15中α相分布取向接近,弱化了相界对裂纹扩展的阻碍作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 概论
• 1.1 研究背景
• 1.2 文献综述
• 1.3 本文主要研究内容及意义
• 1.4 本文研究方案
• 2 TC4 电子束焊接接头分区扩展及裂纹尖端形态研究
• 2.1 前言
• 2.2 试验材料
• 2.3 试验方法
• 2.4 试验结果及分析
• 2.5 本章小结
• 3 微量氢对电子束焊接TC4 钛合金疲劳寿命影响
• 3.1 前言
• 3.2 实验材料
• 3.3 试验方法
• 3.4 显微组织分析
• 3.5 疲劳寿命分析
• 3.6 疲劳断口分析
• 3.7 裂纹前沿位错组态分析
• 3.8 本章小结
• 4 微量氢对电子束焊接TA15 钛合金疲劳寿命的影响
• 4.1 前言
• 4.2 实验材料及方法
• 4.3 显微组织分析
• 4.4 疲劳寿命分析
• 4.5 疲劳断口分析
• 4.6 本章小结
• 5 微量氢对电子束焊接TA15 钛合金裂纹扩展的影响
• 5.1 前言
• 5.2 实验材料及方法
• 5.3 显微组织分析
• 5.4 疲劳寿命分析
• 5.5 疲劳断口分析
• 5.6 本章小结
• 6 TA15 小裂纹疲劳裂纹尖端TEM 微区形态研究
• 6.1 前言
• 6.2 试验材料及方法
• 6.3 金相组织观察
• 6.4 疲劳ΔK- da/dN 曲线及断口形貌分析
• 6.5 疲劳裂纹尖端显微形态
• 6.6 本章小结
• 7 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表论文目录