TC4ELI合金疲勞裂紋尖端塑性區(qū)對裂紋擴展的影響_馬英杰_圖文

1、第 19卷第 10期 中國有色金屬學報 2009年 10月 V ol.19 No.10The Chinese Journal of Nonferrous MetalsOct. 2009文章編號:1004-0609(200910-1789-06TC4ELI 合金疲勞裂紋尖端塑性區(qū)對裂紋擴展的影響馬英杰,劉建榮,雷家峰,劉羽寅,楊 銳(中國科學院 金屬研究所,沈陽 110016摘 要:研究了 TC4ELI 合金片層組織與短棒 組織中的疲勞裂紋尖端塑性區(qū)及裂紋擴展行為。 首先通過 SEM 及 TEM 觀察比較兩種顯微組織下的疲勞裂紋尖端塑性區(qū), 討論兩種顯微組織中裂紋尖端塑性區(qū)對疲勞裂紋擴展路徑 及

2、擴展斷口的影響,分析裂紋擴展路徑和裂紋尖端塑性區(qū)對裂紋閉合及裂紋擴展速率的影響。結果表明:與短棒 組織相比,片層組織中具有較大的裂紋尖端塑性區(qū)及曲折的裂紋擴展路徑,并最終從疲勞裂紋閉合的角度,解 釋了片層組織具有較低的疲勞裂紋擴展速率的原因。關鍵詞:TC4ELI 合金;裂紋尖端塑性區(qū);裂紋閉合;疲勞裂紋擴展速率中圖分類號:TG146 文獻標識碼: AInfluence of fatigue crack tip plastic zone on crack propagation behavior in TC4ELI alloyMA Ying-jie, LIU Jian-rong, LEI Jia

3、-feng, LIU Yu-yin, YANG Rui(Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, ChinaAbstract: The crack tip plastic zone (CTPZ and fatigue crack propagation behavior of the lamellar and short-bar microstructures in TC4ELI alloy were studied. CTPZ of the two microstructures we

4、re compared by SEM and TEM observations. The influence of CTPZ on the crack propagating style and crack closure level were analyzed in the two microstructures. The results reveal that, compared with the short-bar microstructure, the larger CTPZ and flexuous crack propagating route in the lamellar mi

5、crostructure induce high crack closure level that will decrease the fatigue crack growth (FCG rates.Key words: TC4ELI alloy; crack tip plastic zone; crack closure; fatigue crack growth rate隨著損傷容限設計思想在航空結構材料設計中的 逐漸運用,鈦合金片層組織因具有較低的疲勞裂紋擴 展速率及較高的斷裂韌性受到了越來越多的重視。人 們對鈦合金不同顯微組織中的疲勞裂紋擴展機制進行 了大量的研究 1 4, 均認為片層

6、組織具有的曲折裂紋擴 展路徑降低了疲勞裂紋擴展速率。已有關于鈦合金不 同顯微組織中疲勞裂紋擴展機制的研究主要集中在顯 微組織對裂紋擴展路徑的影響,而對疲勞裂紋尖端塑 性區(qū)及裂紋閉合效應的研究則相對較少。但疲勞裂紋 尖端塑性區(qū)及裂紋閉合效應在裂紋擴展過程中具有 極為重要的作用,尤其對裂紋擴展速率具有顯著的影 響 5 8。 疲勞裂紋閉合按誘發(fā)機制不同主要分為:塑性 誘發(fā)的裂紋閉合、氧化物誘發(fā)的裂紋閉合、粗糙誘發(fā) 的裂紋閉合、流體誘發(fā)的裂紋閉合、相變誘發(fā)的裂紋 閉合以及裂紋偏析誘發(fā)裂紋閉合等,裂紋閉合程度越 高,有效裂紋長度越小,裂紋擴展速率越低。 本文作者研究片層組織和短棒 組織疲勞裂紋尖 端塑性

7、區(qū)及裂紋閉合的行為,對比這兩種顯微組織中 的疲勞裂紋尖端塑性區(qū)差異、裂紋尖端塑性區(qū)對裂紋 擴展路徑的影響、塑性區(qū)及裂紋擴展路徑對裂紋閉合 的影響,并最終從裂紋閉合的角度解釋兩種顯微組織 中疲勞裂紋擴展速率差異問題。收稿日期:2008-08-21; 修訂日期:2009-02-10通訊作者:雷家峰,研究員,博士;電話 E-mail: jflei中國有色金屬學報 2009年 10月17901 實驗 實驗材料選用具有高損傷容限性能的低間隙 TC4(Ti-6Al-4V合金,相變點 (970±5 。經過兩種 不同的熱處理工藝得到具有粗大晶粒的片層組織 (見 圖 1 及

8、短棒 組織 (見圖 2 , 兩種顯微組織的熱處理工 藝、顯微組織參數(shù)及主要力學性能見表 1。片層組織 由相變點以上固溶處理得到,其平均晶粒尺寸約為 550 m ,由單相區(qū)冷卻過程中形成的 片層厚度約為 12 m , 片層長寬比大于 50,該類型組織具有較低 的裂紋擴展速率、較高的斷裂韌性及較低的塑性;圖 2中短棒 組織通過在兩相區(qū)變形及熱處理得到,原 始 晶界在兩相區(qū)變形過程中被破碎, 片層被破碎 球化形成短棒狀, 短棒 長寬比約為 110, 該類型組 織具有優(yōu)異的拉伸性能,但裂紋擴展速率較高且斷裂 韌性較低。熱處理后首先去除合金表面氧化層,而后加工成 厚度 B =12.5 mm的 CT 疲勞

9、裂紋擴展試樣,試樣表面 經過電解拋光后腐蝕處理,在 MTS810試驗機上進行 圖 1 TC4ELI合金中具有粗大晶粒的片層組織Fig.1 Lamellar microstructure with coarse grain of TC4ELI alloy heat-treated at (1 000 , 1 h, AC+730 , 3 h, AC圖 2 TC4ELI合金中具有短棒狀 相的顯微組織Fig.2 Microstructure with short-bar phase of TC4ELI alloy heat-treated at 900 , 1 h, AC+550 , 4 h, AC疲

10、勞裂紋擴展實驗,而后在掃描電鏡下觀察裂紋擴展 過程中塑性區(qū)、裂紋擴展路徑及裂紋擴展斷口,并在 裂紋面附近取樣進行 TEM 觀察。2 結果及討論材料的滑移特征和顯微組織特征尺度、應力水平 及近頂端塑性區(qū)尺寸對疲勞裂紋擴展的微觀模式有強 烈的影響,并且對于延性固體,可以把循環(huán)載荷引起 的裂紋擴展看作裂紋尖端塑性區(qū)內宏觀滑移帶發(fā)生急 劇局部形變過程 5,由于裂紋尖端塑性區(qū)在疲勞裂紋 擴展中具有至關重要的作用,因此,這兩種顯微組織 中的裂紋尖端塑性區(qū)的差異將作為本研究討論的出發(fā) 點,由此逐一展開分析。2.1 兩種顯微組織下的疲勞裂紋尖端塑性區(qū)疲勞裂紋尖端塑性區(qū)分為單向塑性區(qū)與循環(huán)塑性 區(qū),其中單向塑性

11、區(qū)是由遠場載荷產生的,隨著載荷 的變化而變化,循環(huán)塑性區(qū)是當遠場載荷發(fā)生變化時 產生的反向流變區(qū)。對于裂紋頂端塑性區(qū)尺寸,應用表 1 TC4ELI合金中兩種不同顯微組織的顯微組織參數(shù)及主要力學性能Table 1 Microstructure parameters and mechanical properties of TC4ELI alloy with two different microstructures Tensile property Microstructure Heat-treatment grain size/m Lath thickness/m Ratio of lath

12、length to thicknessYTS/MPaUTS/MPa Elongation/% Fracture toughness/(MPa·m1/2 Short-bar microstructure (900 , 1 h, AC+550 , 4 h, AC4 5 1 10 833 884 14.1 103Lamellar microstructure (1 000 , 1 h, AC+730 , 3 h, AC 550 1 2>50 797 858 8.6 106第 19卷第 10期 馬英杰,等:TC4ELI 合金疲勞裂紋尖端塑性區(qū)對裂紋擴展的影響1791不同的屈服條件及計算

13、方法得到的結果具有差異。最 大應力強度因子 K max 下的單向塑性區(qū)尺寸 r p 及循環(huán)塑 性區(qū)尺寸 r c 的計算方法由文獻 9 10得來,分別為2y max p (31Kr = (12y c 2(31K r = (2式中:y 為材料屈服強度, K 為應力強度因子范圍。 由式 (1和 (2可以看出, 塑性區(qū)尺寸與材料的屈服強度 及應力強度因子或應力強度因子范圍有關,但實驗觀 察發(fā)現(xiàn)裂紋尖端塑性區(qū)受到顯微組織的明顯影響。 對片層組織中裂紋長度為 25 mm,距離裂紋面 0.52.0 mm的區(qū)域進行了 TEM 觀察,發(fā)現(xiàn)了大量萌 生于 /界面處的位錯 (見圖 3 ,說明裂紋長度為 25 mm

14、時, 至少在 TEM 觀察范圍內發(fā)生了塑性變形。 實 驗記錄該位置處應力強度因子范圍 K =22 MPa·m1/2, K max =24 MPa·m1/2,片層組織材料的屈服強度 y 為 797 MPa , 由式 (1計算得到 K =K max 時疲勞裂紋尖端單向加 載塑性區(qū)尺寸 r p =95 m , 由式 (2計算得到疲勞裂紋尖 端循環(huán)塑性區(qū)尺寸 r c =20 m 。由此可以看出,計算得 到的塑性區(qū)尺寸小于實際已觀察到的塑性區(qū)范圍。對 片層組織裂紋尖端及裂紋面附近進行 SEM 觀察還發(fā) 現(xiàn),裂紋尖端塑性區(qū)內具有穿越 集束的長距離滑移 (見圖 4 , 且疲勞裂紋沿滑移方

15、面擴展, 裂紋面附近具 有大范圍的因塑性變形而斷裂的區(qū)域 (見圖 5 。 長距離 滑移及裂紋面附近的大范圍塑性斷裂均說明片層組織 中具有較大的裂紋尖端塑性區(qū),并且實際裂紋尖端塑 性區(qū)尺寸大于由式 (1和 (2計算所得結果。圖 6所示為疲勞裂紋在短棒 組織中的擴展過程。 由圖 6可見,短棒 組織是整條疲勞裂紋附近并沒有 圖 3 距離裂紋面 0.52.0 mm范圍內生成的位錯 Fig.3 Dislocations initiating at / interface 0.5 2.0 mm圖 4 片層組織中疲勞裂紋尖端塑性區(qū)內的長距離滑移 Fig.4 Long-range slips in CTPZ

16、in lamellar microstructure圖 5 片層組織裂紋面附近較大范圍斷裂區(qū)域的微觀形貌 Fig.5 Morphology of long-range fracture around fracture surface in lamellar microstructure圖 6 疲勞裂紋在短棒 組織中的擴展Fig.6 Fatigue crack propagating along / interface in short-bar microstructure類似于片層組織中的長距離滑移及大范圍塑性斷裂區(qū) 域,且疲勞裂紋在垂直于擴展方向上的波動范圍非常 小。對比兩種顯微組織中疲勞裂

17、紋尖端及裂紋面附近變形行為可以看出,在兩種顯微組織中的裂紋尖端塑 性區(qū)差異較大,在相同 K 及應力比下,片層組織中 的裂紋尖端塑性區(qū)尺寸大于短棒組織中的。中國有色金屬學報 2009年 10月 1792式 (1和 (2顯示裂紋尖端塑性區(qū)尺寸受到材料屈 服強度 y 的影響,圖 1所示片層組織的 y 為 797 MPa, 圖 2所示短棒 組織的 y 為 833 MPa。 經計算可知, 由材 料屈服強度的差異造成相同 K 及應力比下兩種顯微 組織中的裂紋尖端塑性區(qū)尺寸差異為 8%, 但實際觀察 到的差距遠大于 8%。其主要原因如下:具有 晶粒的 片層組織發(fā)生塑性變形時,由于晶粒尺寸粗大,發(fā)生 塑性變形

18、時協(xié)調變形區(qū)較大, 造成塑性變形范圍較大。 研究顯示 11,片層組織中密排六方結構的 相和體心 立方的 相各自擁有不同的滑移系統(tǒng), 由于兩者之間存 在 Burgers 取向關系 (見圖 7 , 當 相或 相中的位錯運動 到相界面時能夠以較小的能量克服相界面阻力進入另 一相中繼續(xù)進行滑移, 從而形成穿過 集束的長距離滑 移現(xiàn)象。 片層組織具有較大尺寸的 集束, 因此能夠在 片層組織裂紋尖端觀察到長距離的滑移 (見圖 4 。 片層 組織中較大協(xié)調變形區(qū)及易開動的長距離滑移為大范 圍內發(fā)生塑性變形提供了條件,二者共同導致該組織 中具有較大的裂紋尖端塑性區(qū)。 圖 7鈦合金 相及 相之間的取向關系Fig

19、.7Schematic representation of crystallographic relationship between and phase短棒 組織相比于片層組織更為細小,塑性變形 時周圍協(xié)調變形區(qū)域也較小,且短棒 組織中不存在 大尺寸的 集束,具有不同滑移方向的小尺寸 集束 阻礙了長距離滑移在短棒 組織中的形成,兩者綜合 導致短棒 組織中較小裂紋尖端塑性區(qū)。2.2疲勞裂紋尖端塑性區(qū)對裂紋擴展路徑的影響 延性固體中, 循環(huán)載荷引起的疲勞裂紋擴展即為 在裂紋尖端塑性區(qū)內的宏觀滑移帶發(fā)生急劇形變過 程。圖 4所示表明,片層組織中的疲勞裂紋沿裂紋尖 端滑移方向進行擴展。兩種顯微組織疲

20、勞裂紋尖端塑 性區(qū)的差異對裂紋擴展路徑及擴展斷口有很大的影 響。短棒 組織中裂紋尖端塑性區(qū)尺寸較小,且不產 生長距離滑移,疲勞裂紋在該組織中不具備在大范圍 內發(fā)生偏折的條件。圖 6所示表明,短棒 組織的疲 勞裂紋主要沿結合薄弱的 /相界面擴展,裂紋擴展 路徑在垂直于擴展方向上波動較小。疲勞裂紋在片層 組織中擴展時具有較大裂紋尖端塑性區(qū)及塑性區(qū)內存 在的長距離滑移,為疲勞裂紋擴展路徑在大范圍內發(fā) 生偏折提供了條件;且片層組織塑性區(qū)內滑移方向受 到晶?；蚓F取向的影響,當疲勞裂紋穿越晶界時 由于滑移方向發(fā)生變化可導致裂紋擴展方向變化 (見 圖 8 。因此,片層組織中較大的裂紋尖端塑性區(qū)尺寸 及受晶

21、粒或晶團取向影響的長距離滑移共同導致了疲 勞裂紋在該組織中具有波動范圍較大的擴展路徑。 圖 9所示為疲勞裂紋在兩種顯微組織中的宏觀擴 展斷口形貌。其中疲勞裂紋在短棒 組織中擴展時具 有平整的宏觀擴展斷口 (見圖 9(a, 而片層組織宏觀擴 圖 8 片層組織中疲勞裂紋穿過晶界時沿擴展方向發(fā)生偏折 的微觀形貌Fig.8 Morphology of fatigue crack deflecting at grain boundary in lamellar microstructure 圖 9 兩種顯微組織疲勞裂紋擴展宏觀斷口形貌Fig.9 Macro fracture surface of FCG

22、 in two microstructures: (a Short-bar microstructure; (b Lamellar microstructure第 19卷第 10期 馬英杰,等:TC4ELI 合金疲勞裂紋尖端塑性區(qū)對裂紋擴展的影響 1793展斷口較粗糙 (見圖 9(b。研究發(fā)現(xiàn) 12 14,片層組織中隨著裂紋長度的增大,裂紋尖端塑性區(qū)尺寸的變化 會對裂紋擴展路徑的波動程度產生影響,由波動范圍 較大轉變?yōu)椴▌臃秶^小的擴展路徑,進一步說明了 裂紋尖端塑性區(qū)對裂紋擴展路徑的影響。2.3裂紋尖端塑性區(qū)和擴展路徑對裂紋閉合的影響 及裂紋閉合對擴展速率的影響由前面討論可知,片層組織比短棒

23、 組織具有更 大的裂紋尖端塑性區(qū)及粗糙的裂紋擴展斷面,而較大 的裂紋尖端塑性區(qū)及粗糙裂紋斷面均會提高裂紋尖端 閉合程度 5, 15 17。因此,片層組織中的裂紋閉合程度 應高于短棒組織的。圖 10所示為兩種顯微組織在應 力比 R =0.1時的疲勞裂紋擴展速率對比。 由圖 10可見, 片層組織的裂紋擴展速率明顯低于短棒 組織的。鈦 合金中具有 晶粒的片層組織具有較低的疲勞裂紋擴 展速率已得到人們的廣泛認同,并且在相關工作方面 已經做了大量的研究 1 4, 17, 研究人員往往將片層組織 具有更低的裂紋擴展速率歸結于疲勞裂紋在片層組織 中具有曲折的擴展路徑,而曲折的擴展路徑增加了裂 紋擴展的實際距

24、離,進而降低了裂紋擴展速率。通過 前面的分析可知,片層組織中較大的裂紋尖端塑性區(qū) 及粗糙的裂紋斷面均會提高裂紋尖端閉合程度,而裂 紋尖端閉合可以降低實際有效裂紋長度,從而降低片 層組織中的裂紋擴展速率。因此,從裂紋閉合的角度 考慮,片層組織具有較低裂紋擴展速率的原因是其具 有較大的裂紋尖端塑性區(qū)及粗糙的裂紋擴展路徑。 圖 10兩種顯微組織在 R =0.1時的疲勞裂紋擴展速率Fig.10 Fatigue crack growth rates of two kinds of microstructures at R =0.1 3結論1 片層組織較短棒 組織具有更大的裂紋尖端 塑性區(qū),且片層組織實際

25、裂紋尖端塑性區(qū)尺寸大于計 算值。2 片層組織中, 較大的裂紋尖端塑性區(qū)及受晶粒 或晶團取向影響的長距離滑移造成了曲折的裂紋擴展 路徑及粗糙的擴展斷面。3 從裂紋閉合角度解釋了片層組織具有較低裂 紋擴展速率的原因,即受較大裂紋尖端塑性區(qū)及粗糙 的裂紋擴展斷面影響,片層組織較短棒 組織裂紋閉 合程度高, 較高的裂紋閉合程度減小了有效裂紋長度, 進而降低了疲勞裂紋擴展速率。REFERENCES1 SADANANDA K, VASUDEVAN A K. Fatigue crack growth behavior of titanium alloysJ. International Journal of

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