退火態(tài)ZTi6Al4V鑄造鈦合金的斷裂韌度研究

黨 寧， 趙嘉琪， 南 海， 吳國清

(1.北京航空航天大學材料科學與工程學院，北京 100191;2.北京航空材料研究院，北京 100095）

退火態(tài)ZTi6Al4V鑄造鈦合金的斷裂韌度研究

黨 寧1， 趙嘉琪2， 南 海2， 吳國清1

(1.北京航空航天大學材料科學與工程學院，北京 100191;2.北京航空材料研究院，北京 100095）

將尖切口強度理論用于ZTi6Al4V鑄造鈦合金損傷容限性能的評價，探討了不同退火溫度對其三點彎曲斷裂韌度KQ的影響。結果表明:尖切口試樣測定的斷裂韌度KQ1不等同于標準試驗方法測定的KQ，但可用于鑄造鈦合金不同工藝間斷裂韌度的比較。退火溫度的改變可微調ZTi6Al4V鑄造鈦合金的強度和斷裂韌度，在700℃或820℃保溫2h退火處理，試樣的斷裂韌度較好，KQ值分別達到78.11 MPa·m1/2和79.44MPa·m1/2，屈服強度分別為 782.74MPa 和 771.49MPa，抗拉強度分別為 860.18MPa 和 853.0MPa，伸長率達 8.10% 和 7.46%，獲得了較好的強塑性匹配。

鑄造鈦合金;退火;斷裂韌度

鑄造ZTi6Al4V(ZTC4）鈦合金屬于Ti-Al-V系α+β型中強鈦合金。具有中等強度、塑性好，可進行熱處理強化，加工性能優(yōu)異，并具有較好的焊接性，而且在中等溫度下具有較好的耐熱性和保持良好的強度［1，2］。近年來，隨著斷裂力學和損傷容限理論的發(fā)展，飛機零構件的設計準則由傳統(tǒng)的靜強度設計發(fā)展為損傷容限設計，相應的中強或高強損傷容限型鈦合金成為鈦合金研究領域的重點之一［3，4］，研究主要針對變形鈦合金的斷裂機理和顯微組織或工藝對斷裂韌度的影響［5，7］。隨著鈦合金鑄件澆注冶煉技術的提高以及鑄件使用環(huán)境的拓展，對鈦合金鑄件的損傷容限設計也提出了挑戰(zhàn)。由于測試的難度，對于鑄件尤其是薄壁鑄件斷裂韌度的測試尚未見報道。一般情況下，ZTi6Al4V鑄件沿用Ti-6Al-4V鍛件斷裂韌度的評價方法［8］測試，試樣的最小厚度B須達38mm，大大超出了一般鈦合金鑄件尤其是薄壁鑄件的厚度(大多數(shù)鑄件的壁厚為1～8mm）［9］。另外，由于鑄件的塑性低于鍛件，在對試樣預制疲勞裂紋時可能會出現(xiàn)裂紋直接穿透試樣的情況。有研究者［10～12］提出了尖切口強度理論，認為當切口件切口根部曲率半徑小于某一臨界值ρc時，在斷裂前其切口根部區(qū)域的應力應變分布特性與裂紋尖端前沿區(qū)域的應力應變分布特性相近，此時切口根部材料單元與裂紋前部的材料單元處于近似相同的應力應變狀態(tài)，切口問題可反映裂紋問題，并在此基礎上建立了切口強度與斷裂韌度的內在聯(lián)系。王泓等應用上述方法測試并評價了 Al2O3陶瓷［13］和有機玻璃［14］的斷裂韌度，然而該理論在鑄態(tài)金屬材料中的應用尚未見報道。

本研究將尖切口強度理論用于ZTi6Al4V鑄造鈦合金損傷容限性能的評價，通過與疲勞裂紋試樣測試結果的對比，驗證了尖切口試樣斷裂韌度測試結果的有效性，并以此探討了不同退火溫度對其三點彎曲斷裂韌度KQ的影響。

1 試驗

采用北京航空材料研究院提供的ZTi6Al4V離心鑄造板材。原料的化學成分達到了 GB/T 15073—1994《鑄造鈦及鈦合金牌號和化學成分》的要求，化學成分如表1所示。隨后經(jīng)過 920℃/125MPa/2h的熱等靜壓處理和退火處理，處理后試樣的金相照片如圖1所示，可以看出存在著粗大的片層組織和連續(xù)晶界α相。

采用SANS CMT5504試驗機進行板狀試樣室溫拉伸試驗，加載速率為0.5mm/min。試樣尺寸如圖2所示，厚度 a=4mm，寬度 B=40mm，長度 L=241mm，L1=75mm，h=60mm，h1=23mm，每組工藝測試5根拉伸試樣并取平均值。

表1 ZTi6Al4V合金鑄板元素含量(質量分數(shù)/%）Table 1 Chemical compositions of ZTi6Al4V alloy(mass fraction/%）

圖1 ZTi6Al4V鑄造鈦合金退火態(tài)組織金相照片 (a）退火態(tài)的晶粒組織;(b）退火態(tài)的片層組織Fig.1 Microstructure of as annealed ZTi6Al4V titanium alloy (a）grain structure;(b）lamellar microstructure

圖2 ZTi6Al4V鑄造鈦合金板狀拉伸試樣示意圖Fig.2 Schematic diagram of tensile test specimen

尖切口試樣與疲勞裂紋試樣示意圖均如圖3所示，斷裂韌度KQ1與KQ值計算方法和驗證按照GB/T 4161—2007《金屬材料平面應變斷裂韌度KIC試驗方法》和GB/T 21143—2007《金屬材料準靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗方法》進行。尖切口試樣三點彎曲斷裂韌度KQ1測試在SANS CMT5504試驗機上進行。每組工藝下測試5根尖切口試樣，并取平均值。試樣厚度B=6mm，寬度 W=12mm，跨距 S=48mm。線切割加工單邊切口裂紋長度a=6mm，加載速率為0.5mm/min;疲勞裂紋試樣三點彎曲斷裂韌度KQ測試試驗，在MTS880±100 kN電液伺服試驗機上進行試驗，加載速率仍為0.5mm/min，試樣預制裂紋長度a=(6±0.6）mm，試樣厚度 B=6mm，寬度W=12mm，跨距S=48mm，每組工藝依然測試5根試樣，取其均值。

試驗結束后得到力-位移曲線，根據(jù)該曲線進行FQ的計算。將得出的FQ代入下式進行三點彎曲試樣KQ值的計算:

式中:f(a/W）函數(shù)值可在手冊中查表得出。

當滿足下列三個條件時KQ=KIC，如不滿足，則KQ只能用于同種材料不同工藝或不同處理的內部評價，不能與其他材料的KIC進行直接比較。

圖3 ZTi6Al4V鑄造鈦合金的斷裂韌度KQ試樣示意圖Fig.3 Schematic diagram of fracture toughness specimen

2 結果及討論

表2給出了ZTi6Al4V鑄造鈦合金試樣力學性能的測試結果?？梢钥闯觯嘶饻囟葘Ti6Al4V鑄造鈦合金的室溫拉伸性能有微弱影響，強度變化在3%左右，塑性變化在14%左右。當退火工藝為730℃/2h或850℃/2h時，ZTi6Al4V鑄造鈦合金試樣的塑性較低，伸長率分別為7.11%和7.16%;而當退火工藝為790℃/2h時，試樣的強度較低，屈服強度和抗拉強度分別為765.37MPa和841.55MPa;而當退火工藝為760℃/2h時，試樣獲得了較好的強度和塑性匹配，屈服強度、抗拉強度分別為779.39MPa和 853.72MPa，伸長率為 7.78%;然而，此工藝下試樣的斷裂韌度較差，KQ和KQ1分別為50.45MPa·m1/2，76.87MPa·m1/2。

表2 ZTi6Al4V鈦合金的室溫力學性能測試結果Table 2 Testing results of mechanical properties of ZTi6Al4V alloy at room temperature

圖4對比分析了不同退火溫度處理后ZTi6Al4V鑄造鈦合金疲勞裂紋試樣(KQ）與尖切口試樣(KQ1）斷裂韌度測試結果，可以看出，通過調整退火溫度，可實現(xiàn)對ZTi6Al4V鑄造鈦合金斷裂韌度的微調，KQ1的變化范圍在4%左右，KQ的變化在10%左右。在760℃退火時，ZTi6Al4V鑄造鈦合金試樣的KQ與KQ1出現(xiàn)最小值，分別為 76.87MPa·m1/2和50.45MPa·m1/2;而在820℃退火時，試樣的KQ與KQ1達到最大值，分別為79.44MPa·m1/2和55.26MPa·m1/2。預制疲勞裂紋試樣的斷裂韌度(KQ）低于不預制疲勞裂紋試樣的斷裂韌度(KQ1），在數(shù)值上KQ值比KQ1值平均低30%左右，但隨著退火溫度的增加，均呈現(xiàn)出先降后升、而后趨于平緩的趨勢，兩者數(shù)據(jù)的波動呈現(xiàn)出正相關趨勢。文獻［10］和文獻［11］的研究者解釋了 KQ與KQ1的數(shù)據(jù)偏差，并給出了這種正相關趨勢的原因。他們認為，裂紋件可以看成是一種當切口半徑ρ→0時的特殊切口件，光滑構件看成是當切口半徑ρ→∞時的特殊切口件;ρ越趨近于0，切口件尖端應力應變分布特性與裂紋件尖端的應力應變分布特性越趨于一致，由此測量計算出的兩者的斷裂韌度值正相關性就越好，而常規(guī)尖切口件切口半徑 ρ處于(0，∞）之間，這種近似是導致疲勞裂紋試樣測得的斷裂韌度值(KQ）低于尖切口試樣測得的斷裂韌度值(KQ1）的原因。所以，尖切口試樣只能對材料的斷裂韌度進行有條件的定性的比較研究。

運用(2）～(4）式進行驗證，KQ與KQ1的數(shù)據(jù)結果均不滿足KQ=KIC的條件，因此，本研究中尖切口三點彎曲斷裂韌度試樣僅適用于相同規(guī)格試樣在不同工藝間的比較。

圖4 ZTi6Al4V合金的KQ與KQ1測試結果對比Fig.4 Testing results comparison between KQ and KQ1of ZTi6Al4V alloy

將退火溫度對ZTi6Al4V鑄造鈦合金拉伸性能與斷裂韌度KQ1的影響對比分析(圖5），可以看出，隨著退火溫度的升高，ZTi6Al4V鑄造鈦合金試樣的抗拉強度表現(xiàn)出先降低，后略有升高的趨勢。在790℃退火時達到最低值(841.55MPa）。對比兩條曲線的變化趨勢來看，除在790～820℃溫度區(qū)間抗拉強度與斷裂韌度KQ1出現(xiàn)同步增長以外，在其余溫度范圍，兩者均呈現(xiàn)出一定程度的反相關趨勢。當退火溫度在700～790℃范圍內變化時，760℃退火處理后的ZTi6Al4V鑄造鈦合金試樣，斷裂韌度 KQ1出現(xiàn)極小值，為76.87MPa·m1/2，而此時抗拉強度卻呈現(xiàn)出極大值，為853.72MPa;退火溫度為790℃時，斷裂韌度KQ1出現(xiàn)極大值，為78.58MPa· m1/2，然而此時，抗拉強度卻出現(xiàn)極小值，σb=841.55MPa。而當退火溫度在790～850℃變化時，ZTi6Al4V鑄造鈦合金試樣抗拉強度隨退火溫度升高而上升，而斷裂韌度KQ1變化趨勢為先升高再降低，820℃退火處理時，斷裂韌度KQ1呈現(xiàn)出極大值，此時 KQ1=79.44MPa·m1/2。文獻［15］的研究者指出，出現(xiàn)這種負相關的原因可能與片層組織的片層厚度等微觀組織參數(shù)有關。

圖5 退火溫度對ZTi6Al4V鑄造鈦合金拉伸性能與斷裂韌度KQ1的影響Fig.5 Effect of annealing temperature on tensile properties and fracture toughness of ZTi6Al4V alloy

由于斷裂韌度反映了各種材料對尖銳缺口(裂紋或類裂紋缺陷）的敏感程度［3］，故評價材料的損傷容限靜態(tài)性能通常以斷裂韌度為判據(jù)。因此，在損傷容限的設計理念指導下進行工藝選擇時，應首先滿足較高的斷裂韌度，其次再滿足強度和塑性的使用要求，使處理后的合金具有比較良好的損傷容限性能和強塑性的匹配。對于ZTi6Al4V鑄造鈦合金板材，當選擇700℃或820℃的退火時，獲得了較好的斷裂韌度，KQ1值分別可達78.11 MPa·m1/2和79.44MPa· m1/2，KQ值可達 51.25 MPa· m1/2和55.26 MPa·m1/2。同時，在這兩個溫度下退火后的鑄造板材也具有比較良好的強塑性匹配，屈服強度分別為782.74MPa和 771.49MPa，抗拉強度分別可達860.18MPa 和 853.0MPa，而伸長率也達 8.10%和7.46%。因此對于ZTi6Al4V鈦合金鑄造板材，退火選擇700℃或820℃，保溫2h后可以獲得最佳強度、塑性和韌性的匹配。

3 結論

(1）ZTi6Al4V鑄造鈦合金斷裂韌度的測試結果表明，尖切口試樣的斷裂韌度KQ1測試方法得到的KQ1值與標準斷裂韌度方法得到的KQ值呈正相關關系，但是比之高30%。

(2）退火對ZTi6Al4V鑄造鈦合金的斷裂韌度和室溫拉伸性能均有一定的微調作用，隨著退火溫度的變化，合金的斷裂韌度值與強度值呈現(xiàn)一定程度的負相關。

(3）對于ZTi6Al4V鈦合金鑄造板材，在700℃或820℃退火，保溫2h后可獲得較良好的損傷容限性能和強塑性的匹配，屈服強度分別為782.74MPa和771.49MPa，抗拉強度可達 860.18MPa 和853.0 MPa，伸長率達8.10%和 7.46%，斷裂韌度 KQ1值可達 78.11 MPa·m1/2和 79.44MPa·m1/2。

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Fracture Toughness of ZTi6Al4V Casting Titanium Alloy under Different Annealed Conditions

DANG Ning1， ZHAO Jia-qi2， NAN Hai2， WU Guo-qing1
(1.School of Materials Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China;2.Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China）

The theory of notch strength was used to judge the damage tolerance capability of ZTi6Al4V casting titanium alloy，for example，the effect of annealing temperature on three-point bending fracture toughness.The results show that fracture toughness KQ1，which was tested by notched specimens，is not equal to the KQtested by the standard testing method.But it was used to compare qualitatively fracture toughness of casting titanium alloy with different annealing processes.The changing of annealing temperature can adjust strength and fracture toughness of ZTi6Al4V casting titanium alloy.Samples annealed at 700℃and 800℃ for 2h have better toughness，the KQvalues are 78.11 MPa·m1/2and 79.44MPa ·m1/2.They also have a relatively better match of strength and plasticity，that is the yield strength is up to 782.74MPa and 771.49MPa，tensile strength reaches 860.18MPa and 853.0MPa，and the elongation reaches 8.10%and 7.46%respectively.

casting titanium alloy;annealing;fracture toughness

10.3969/j.issn.1005-5053.2012.4.016

TG146.2+3

A

1005-5053(2012）04-0087-05

2011-09-20;

2012-02-02

黨寧 (1987—），男，碩士，主要從事鈦合金鑄造方面研究，(E-mail）dangning870208@126.com。