i-六个铝合金板材的室温蠕变行为

i-六个铝合金板材的室温蠕变行为

钛合金具有较高的比强度、良好的耐候性、良好的焊接性和耐腐蚀性。它在航空航天、海洋船舶、能源化工、生物医疗和其他领域得到了广泛的应用。但是，部分钛合金存在室温蠕变，即在室温下保持载荷(保载)产生的塑性应变随时间不断累积。在钛合金的服役过程中，结构件可能经历较长时间的保载过程，如潜水器在水下长时间作业以及航空器的巡航等。在室温下即使施加的保载应力低于名义屈服强度σ保载疲劳是一种在三角波疲劳峰值载荷处引入保载过程产生的梯形波疲劳自1949年H.Andenstedt发现纯钛发生室温蠕变以来1材料实验设计及材料性能测试实验用试样均取自一块板厚(符号为H)为72mm的Ti-6Al-4V轧制板材。出于深海高压的工程应用背景，文中侧重于压缩实验，因此试样规格的设计参考了GB/T7314-2005《金属材料室温压缩试验方法》。无论压缩还是拉伸，本文中所有实验(单调加载实验、蠕变实验以及疲劳实验)用样的尺寸均统一为图1a所示的规格，试样平行段的尺寸为φ6mm×14mm。在研究宏观织构对Ti-6Al-4V室温蠕变性能的影响时，需要抽取不同方向的试样，图1b为其取样示意图。抽取RD(轧向)或TD(横向)试样时，沿板厚方向每12mm抽取一排，从表层到心部正好取得3排试样，分别命名为表层(0H)、亚表层(0.25H)和心部(0.5H)试样。沿板材厚度方向以中截面为对称面将轧制板材上下部分视为对称，文中不再区分上下表层和上下亚表层。考虑到试样的尺寸(图1a)，抽取ND(板厚方向)试样时只能抽取一个位置变量的ND试样，且其平行段位于板厚方向的心部，因此命名为ND0.5H。采用控制变量法，研究应力水平、预塑性应变对Ti-6Al-4V室温蠕变性能的影响以及室温蠕变对合金后续蠕变以及疲劳性能的影响，为使材料学变量只有一个，本文在这些实验中统一采用只能抽取一个位置变量的ND试样，即ND0.5H。无论是压缩还是拉伸，所有测试力学性能的实验(单调加载实验、蠕变实验以及疲劳实验)都在Instron8801上进行，使用机器附带的轴向引伸计测量和控制应变，实验环境均为室温大气环境。室温单调压缩和单调拉伸实验全程采用恒应变速率的控制模式，参数的设定分别参考国标GB/T7314-2005《金属材料室温压缩试验方法》和GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》，单调压缩实验的应变速率为0.8×10出于工程应用背景的需要，本文研究织构对合金室温力学性能(单调加载、蠕变以及保载疲劳)的影响时，均采用压应力。研究应力水平、预塑性应变对合金蠕变性能的影响时，对压应力、拉应力的情况进行了实验并进行对比。研究已发生的蠕变对合金后续疲劳性能的影响时，为了避免压应力下疲劳试样断裂时机器夹头在高压状态下发生碰撞，只测试拉应力的情况。原则上，相对于拉应力拉应变，压应力压应变人为约定的符号为负号，但文中大部分实验为压应力下的实验，同时为了方便观察以及对比拉压，本文中的压应力压应变也全部换算成正号。显微组织和宏观织构表征样，均在各厚度层的中心位置切取。用于表征显微组织的试样经150#、800#和2000#砂纸磨光后使用二氧化硅悬浊液抛光，然后用体积比为HF∶HNO2结果和讨论2.1织构对ti-抗氧化性能的影响在轧制板材过程中组织和织构可能不均匀，从而使材料的力学性能不均匀，因此研究室温蠕变和保载疲劳性能前，表征和测试钛合金轧制板材的组织、织构和基本力学性能(如单调加载性能)，以对板材的组织、织构和力学性能形成基本的认识，为后续室温蠕变以及保载疲劳实验的设计和分析做准备。本文实验用Ti-6Al-4V轧制板材各处的组织均为短棒状，差异并不显著(图3)，因此本文只研究织构对Ti-6Al-4V室温蠕变性能的影响。织构是多晶材料中晶粒发生择优取向而偏离随机分布的结果，织构使多晶材料的力学性能产生各向异性。钛合金中的α相属于密排六方(HexagonalClose-Packed,HCP)结构，其对称性比面心立方(FCC)和体心立方(BCC)等晶体结构更低，容易开动的滑移系有限，因此在轧制等塑性成型阶段α晶粒容易朝着相同的宏观方向转动，即发生择优取向而形成织构。在α相含量较高的钛合金(α钛合金、近α钛合金以及部分α+β钛合金)轧制板材中，常见的织构有α晶粒的c轴(晶向<0001>)集中趋向平行于轧制板材横向TD的T型织构和α晶粒的c轴集中趋向平行于轧制板材法向ND的B型织构密排六方晶粒沿着不同的方向，其力学性能的差异较大。在微观上，当单独的α晶粒c轴与应力轴平行时，晶粒内部可动滑移系的施密特因子较小，此时晶粒的变形难度最大。这种晶粒，称为硬取向晶粒；反之，当α晶粒的c轴与应力轴的夹角接近45°时，晶粒内部可动滑移系的施密特因子大，晶粒的变形难度小。这种晶粒，称为软取向晶粒2.1.1材料中晶向的散散性为了研究织构对Ti-6Al-4V轧制板材室温蠕变性能的影响，需要表征和分析板材的织构。图4给出了Ti-6Al-4V轧制板材(0001)极图从表层到心部的变化。从图4a可以看出，板材表层α相晶粒的<0001>晶向趋向于指向TD附近，峰值极密度值约为3.15，即形成了T型织构。图4b表明，板材亚表层α相晶粒的<0001>晶向从TD向RD发散，α相晶粒的<0001>晶向不再只集中指向TD，而是散布在TD-RD平面上，并且极密度的值从TD到RD逐渐降低。这种取向的发散，使TD方向上<0001>晶向的峰值极密度值降低到2.08附近。图4c则表明，板材心部α相晶粒的<0001>晶向取向的发散达到两极化，并在TD和RD两个方向上集中，<0001>晶向的极密度值在TD和RD两个方向附近均出现极值，分别约为5和2.08。综上所述，在轧制板材的表层形成了T型织构，由表层到心部，<0001>晶向的取向由TD向RD发散，最后在心部形成了<0001>晶向分别沿TD和RD集中分布的两套织构。2.1.2ti-抗压层密度的本构模型考虑到织构使合金力学性能产生不均匀性，在设计室温压缩蠕变实验的参数前，先测试和分析了Ti-6Al-4V轧制板材各向各层试样的单调压缩性能。图5a给出了Ti-6Al-4V轧制板材各向各层试样单调压缩时真应力-应变曲线的差异。可以看出，弹性变形阶段属于线弹性变形，可用Hooke定律(式1)描述此阶段应力-应变的关系。其中E为弹性模量，σ与ε分别为真应力和真应变。图5b则分别给出了Ti-6Al-4V轧制板材各向各层试样的单调压缩真应力-塑性应变曲线。可以看出，在双对数坐标系下真应力与真塑性应变的关系接近线性，因此可以用Hollomon公式(式2)描述两者之间的关系。其中σ、ε、ε使用式(1)对各应力-应变曲线的弹性段进行线性拟合，斜率即为每个条件下的弹性模量E。根据拟合结果绘制出的直线向右平移0.2%的应变量，则直线与应力应变曲线交点处的应力即为名义屈服强度(σ由图5和表1可以得出：随着织构的存在和变化，Ti-6Al-4V轧制板材单调压缩性能出现显著的各向异性和沿板厚方向的变化。关于各向异性，屈服强度σ从表1还可见，加工硬化指数n也因为织构的出现及变化而出现一定的各向异性和沿板厚方向的变化。加工硬化指数n与<0001>峰值极密度之间有接近线性的正相关关系，因此加工硬化指数n是一个与宏观织构指标<0001>峰值极密度紧密相关的力学性能指标，可在一定程度上通过后者调控前者。2.1.3性能对比及量化关系图6a、b分别给出了归一化后蠕变应力均为0.95σ解式(3)中的微分方程并根据边界条件蠕变时间t=0和蠕变应变ε式(4)已经在钛合金的室温蠕变实验中得到了验证和使用进行理论推导其中m、n、K分别为材料的应变速率敏感因子、加工硬化指数和强度系数。这三者可通过设计不同应变速率下的恒应变速率单调加载实验得到由图6a和表2可见：Ti-6Al-4V轧制板材室温压缩蠕变性能也出现显著的各向异性和沿板厚方向的变化。在各向异性方面，对比板材心部(0.5H)的数据，ND试样的蠕变系数A和蠕变指数b均大于TD和RD试样。从表1可见，ND试样的屈服强度σ应在相同的使役条件下评价两种材料某种性能的优劣，例如在相同的蠕变应力值下评价两种材料的蠕变性能。因此，本文归一化蠕变应力的实验设计，直接使用与蠕变应力σ比较压缩蠕变性能沿板厚方向的变化趋势，可以发现，无论是TD还是RD，心部试样的A、b均小于表层以及亚表层试样。这表明，心部的蠕变性能优于表层以及亚表层，而这个结果与无论是TD还是RD心部试样均具有较高的<0001>峰值极密度是对应的，见图4和表2。从表1和表2可见，加工硬化指数n和蠕变指数b均与织构指标<0001>峰值极密度密切相关，因此可以综合考虑三者之间的量化关系。从图7a可见，随着<0001>峰值极密度的增大材料的加工硬化指数n接近线性地增大，而蠕变指数b接近线性地降低(蠕变性能变优)，因此加工硬化指数n与蠕变指数b之间应存在接近线性的关系(图7b)，这似乎与公式(6)所示的n与b之间的非线性关系不符。图7b给出了实测的加工硬化指数n与蠕变指数b之间的关系，和对m不同赋值时根据公式(6)计算出的加工硬化指数n与蠕变指数b之间的关系。可以看出，根据公式(6)计算出的加工硬化指数n与蠕变指数b之间的关系在局部范围内接近线性变化；还可以看出，当m约为0.0075时根据公式(6)计算出的n-b之间的关系与实测结果比较接近。这在一定程度上表明了公式(6)的适用性，还能评估出Ti-6Al-4V的m约为0.0075。文献综上所述，Ti-6Al-4V轧制板材中的织构使合金的室温蠕变性能产生各向异性，织构沿板厚方向的变化也使合金的室温蠕变性能沿板厚方向变化。合金在加载方向上的<0001>峰值极密度增高，则其加工硬化指数n接近线性地增大，而蠕变指数b接近线性地降低，室温蠕变性能变优。室温蠕变性能与单调加载性能紧密相关，在一定程度上可根据材料的单调加载性能参数快速评估蠕变性能。2.1.4塑性应变累积规律在广义上，钛合金的室温保载疲劳的塑性应变累积也可归于室温蠕变的范畴与普通室温蠕变相比，引入了疲劳过程的室温保载疲劳的蠕变系数A明显偏大，而蠕变指数b较为接近。因此，保载疲劳的塑性应变累积速率和累积量都明显比普通蠕变的高(图8)。这意味着，保载疲劳中的疲劳行为促进了塑性应变累积。这种现象当在有疲劳裂纹产生的情况下，可能与疲劳裂纹尖端塑性区(CrackTipPlasticZone,CTPZ2.2应力水平对温室氧变的影响从公式(5)和(6)中蠕变应力对蠕变参数的影响，不难理解应力水平对室温蠕变的影响：蠕变应力σ以往通常采用常规蠕变的方法测试蠕变应力门槛值，即进行多个应力水平下的常规蠕变实验直到找出发生蠕变的应力水平。本文参考文献2.3应力水平下的动态动态织构模型在阶梯升力蠕变实验后，附带进行了阶梯降力蠕变实验(图10a中的红圈部分)以考察预先进行的高应力水平下的蠕变对后续各个较低应力水平下蠕变的影响。在阶梯降力蠕变实验中发现：在高应力水平下已发生的蠕变强烈抑制后续较低应力水平下的蠕变(图10b)，经历过高应力水平(如0.95σ针对“高应力水平下已发生的蠕变对后续较低应力水平下的蠕变有着很强的抑制”，本文提出两种假设：1、在加载历史中存在的高应力可抑制较低应力水平下的蠕变；2、加载历史中在高应力下长时间蠕变产生的较大的塑性应变导致的加工硬化抑制较低应力水平下的蠕变。针对假设1，本文设计一种“拉伸+蠕变”(Tension+Creep，简记为T+C)的实验(图10c)，先拉伸至屈服强度，卸载后再进行0.9σ2.4拉伸+三角波高周疲劳hcf的对比实验为了研究室温蠕变产生的塑性应变对Ti-6Al-4V后续疲劳性能的影响，本文设计了蠕变+三角波高周疲劳(C+HCF，见图11a)与普通三角波高周疲劳(HCF)的对比实验，为了对比拉伸蠕变预制的塑性应变和单调拉伸预制的塑性应变对合金疲劳性能影响的差异，还进行了单调拉伸+三角波高周疲劳(T+HCF，见图11b)的实验。这些对比实验中高周疲劳(HCF)的参数均为：σ从表4可见，在疲劳