摘 要:利用數(shù)字圖像相關(guān)方法研究了Ti80合金表面質(zhì)量和缺口對其三點彎曲性能的影響,采 用掃描電鏡及電子背散射衍射方法對斷口進行觀察。結(jié)果表明:表面拋光試樣的抗彎強度最大,表 面打磨及缺口試樣的抗彎強度略有降低,沒有明顯的缺口強化效應(yīng),斷裂應(yīng)變隨著表面質(zhì)量的下降 及缺口尺寸的增加而迅速減小;應(yīng)力集中系數(shù)越大,試樣的變形區(qū)域越小,應(yīng)變強化能力越弱;Ti80 合金的斷口呈韌窩形貌,存在大量的小角度晶界。 

關(guān)鍵詞:鈦合金;表面質(zhì)量;缺口;應(yīng)力集中;三點彎曲 

中圖分類號:TB31;TG115.5                         文獻標志碼:A                         文章編號:1001-4012(2023)08-0005-05

海洋資源的開發(fā)利用是解決能源問題的重要途 徑之一。海洋資源的勘探和開發(fā)離不開海洋工程裝 備。鈦合金是一種具有優(yōu)異耐海水腐蝕性能的結(jié)構(gòu) 材料,具有無磁性、無冷脆性,是非常理想的海洋裝 備制造材料,可解決深海裝備普遍存在的浮力儲備 不足、結(jié)構(gòu)安全可靠性欠佳等問題,可以很好地滿足 海洋工程應(yīng)用的要求[1-4]。然而,由于艦船用鈦合金 的服役工況較為復(fù)雜,在服役過程中不可避免地產(chǎn) 生局部腐蝕、輕微劃傷等表面缺陷。大量的研究和 試驗結(jié)果表明,鈦合金表面質(zhì)量和缺口會大大降低 其使用性能[5-6]。打磨態(tài)鈦合金的板材表面存在大 量微劃痕,輕微的外物撞擊可能會使其出現(xiàn)表面局 部損傷,嚴重的會產(chǎn)生缺口,而缺口會改變構(gòu)件在載 荷下的應(yīng)力分布。材料服役時,其缺口處易產(chǎn)生應(yīng) 力集中,導(dǎo)致裂紋過早萌生,最終縮短其使用壽命, 給裝備的服役帶來極大的安全隱患[7-8]。此外,實驗 室加工標準試樣的表面狀態(tài)要優(yōu)于構(gòu)件的實際狀 態(tài),由標準試樣測試出的材料性能與服役狀態(tài)下的 材料性能會有一定差距。鈦合金的表面狀態(tài)對其在 深海高壓環(huán)境下的力學(xué)行為有重要影響,目前已有 很多學(xué)者研究了鈦合金表面質(zhì)量,如缺口、粗糙度對 其靜態(tài)拉伸性能及疲勞性能的影響[9-10]。田偉等[9] 研究了不同缺口對TC17鈦合金拉伸性能和低周疲 勞性能的影響,應(yīng)力集中系數(shù)越高,抗拉強度越高, 但是疲勞壽命會在應(yīng)力集中系數(shù)大于1.92時急劇 下降。用彎曲力學(xué)性能評價表面敏感性的研究卻少 有報道。橫向彎曲是一種較為常見的承載模式,彎 曲力學(xué)性能是衡量設(shè)備安全可靠性的重要因素,尤 其對于深海用裝備結(jié)構(gòu)材料,其服役過程中部分 部位的承力甚至超過材料的屈服強度,失效模式 多種多樣,目前對于彎曲載荷下鈦合金表面狀態(tài) 對材料強度、局部塑性變形行為的影響尚不明確。 因此,研究表面狀態(tài)對鈦合金彎曲力學(xué)性能的影 響對鈦合金在深海裝備主結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用安全性具 有重要意義。 

針對Ti80合金板材的打磨劃痕、缺口等表面缺 陷,筆者利用數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)方法研究了 Ti80 合金表面質(zhì)量及缺口對其彎曲力學(xué)行為、局部變形 行為的影響,并結(jié)合掃描電鏡(SEM)以及電子背散 射衍射技術(shù)(EBSD)分析該類表面缺陷在Ti80合金 局部變形過程中的作用機制,為其在深海環(huán)境下的 安全應(yīng)用提供支持。

1 試驗材料與方法 

試驗材料為Ti80板材,顯微組織為等軸α和板 條α的雙態(tài)組織(見圖1)。為了分析不同表面狀態(tài) 對其力學(xué)性能的影響,設(shè)計了1# 光滑表面拋光試 樣、2# 原始表面試樣以及3種缺口試樣,試樣厚度 均為8mm,3# 試樣缺口深度為0.1mm,缺口曲率 半徑為0.1mm,4# 試樣缺口深度為1mm,缺口 曲率半徑為0.05mm,5# 試樣缺口深度為1mm,缺口曲率半徑為0.25mm,缺口試樣結(jié)構(gòu)如圖2所示, 缺口試樣尺寸如圖3所示。對5種類型試樣進行三 點抗彎強度測試,每種試樣取2個。試驗前在試樣 表面噴制隨機分布的散斑標點,采用視頻引伸計測 量試樣表面應(yīng)變,可實現(xiàn)與試驗設(shè)備同步采集數(shù)據(jù)。 參考 YB/T5349—2014《金屬材料 彎曲力學(xué)性能 試驗方法》進行三點彎曲試驗,支點跨距為40mm, 壓輥直徑為10mm,支輥直徑為4mm,試驗速率為 2mm/min。試樣斷裂后,利用雙束掃描電子顯微 鏡對試樣斷裂側(cè)面進行觀察。

2 試驗結(jié)果與分析 

2.1 不同缺口試樣的應(yīng)力集中系數(shù) 

利用有限元軟件對缺口試樣進行應(yīng)力集中系數(shù) 分析計算。首先,在軟件中建立不同缺口尺寸的試 樣模 型,定 義 材 料 為 各 向 同 性,彈 性 模 量 為 116GPa,泊松比為0.3,采用 Mises屈服準則,網(wǎng)格 劃分部分采用六面體網(wǎng)格,考慮到缺口處的應(yīng)力集 中,對缺口處網(wǎng)格進行了細化,單元類型為8節(jié)點的 二次單元,模型一端固定,另一端施加彎矩,取遠離 缺口處截面為基準面,提交后得到3# ,4# ,5# 試樣 的應(yīng)力集中系數(shù)分別為2.70,7.90,4.26。

2.2 不同表面狀態(tài)對試樣彎曲力學(xué)性能的影響 

1# ~5# 試樣的室溫彎曲試驗結(jié)果如表1所示。 圖4為1# ~5# 試樣的彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線,由 圖4可知:原始表面及帶缺口試樣的抗彎強度均略 低于光滑試樣,沒有明顯的缺口強化效應(yīng)。計算不 同表面狀態(tài)試樣抗彎強度與光滑試樣抗彎強度的比 值,以進行試樣表面敏感度判定,其中2# ,3# ,4# , 5# 試樣對1# 試樣的表面敏感度分別為0.94,0.94, 0.97,0.97,說明對 Ti80材料來說,缺口對材料的脆 化效應(yīng)大于缺口處的三向應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生的缺口強化效應(yīng),缺口尺寸對試樣的抗彎強度影響較小,而斷裂 應(yīng)變隨著缺口尺寸的增加迅速下降,試樣塑性變形 能力較差。 

表面打磨及缺口會導(dǎo)致試樣的斷裂應(yīng)變顯著降 低,1# 表面拋光試樣的斷裂應(yīng)變最大,塑性最好,2# 原始表面試樣雖無缺口,但斷裂應(yīng)變相較于1# 試樣 下降52%,說明斷裂應(yīng)變對表面狀態(tài)十分敏感。

2.3 彎曲過程中的局部變形行為

DIC測量下壓量為1mm 時1# ~5# 試樣的應(yīng) 變云圖如圖5所示,由圖5可知,應(yīng)變均集中在試樣 下表面與壓輥同軸的位置,其余大部分區(qū)域的應(yīng)變 都很小,1# ,2# 和3# 試樣的應(yīng)變分布區(qū)域較大,而 4# ,5# 缺 口 試 樣 的 應(yīng) 變 主 要 集 中 在 缺 口 附 近。1# ~5# 試樣下表面中心沿厚度方向的應(yīng)變分布如圖6所示,由圖6可知:1# ,2# 和3# 試樣的應(yīng) 變分布比較接近,表明表面狀態(tài)對試樣應(yīng)力、應(yīng)變分 布的影響較小;在彈性階段,1# ,2# 和3# 試樣并無 明顯差別,4# ,5# 試樣的應(yīng)變明顯大于1# ,2# 和3# 試樣,并且下降的趨勢更明顯,表明缺口處承受了更 大的載荷,離缺口越近,應(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯。

圖7為斷裂前1# ~5# 試樣的應(yīng)變云圖,1# 試 樣破壞時的應(yīng)變最大,彎曲撓度也最大,塑性最好, 隨著表面缺口處應(yīng)力集中的增加,彎曲撓度逐漸減 小,試樣破壞時的應(yīng)變更加集中,試樣下表面中心沿 厚度方向的應(yīng)變分布如圖8所示,隨著表面質(zhì)量的下降及缺口尺寸的增加,試樣的塑性變形區(qū)也減小。 隨著缺口深度的增加,試樣的破壞應(yīng)變進一步減小, 但4# 和5# 試樣較為接近,這說明當缺口未達到斷裂 閾值時,仍可通過塑性變形把應(yīng)力集中在一定區(qū)域內(nèi) 并釋放。3# 試樣的應(yīng)變區(qū)域相較于4# ,5# 試樣更 大,說明該種類型的缺口雖造成了應(yīng)力集中,但束縛 相對較小,加載過程中能夠用更大的塑性變形區(qū)域緩 解局部應(yīng)力集中,從而延遲斷裂。通過斷裂前的應(yīng)變 分布可以發(fā)現(xiàn),隨著應(yīng)力集中系數(shù)的增大,應(yīng)變集中 區(qū)域的面積顯著減小,這是因為鈦合金應(yīng)變強化能力 較弱,缺口產(chǎn)生應(yīng)力集中時,應(yīng)變強化影響的范圍小, 塑性變形集中,導(dǎo)致鈦合金對缺口更為敏感。 

2.4 斷口分析 

圖9為1# ~5# 試樣起裂位置附近斷口的SEM 形貌,試樣斷口特征主要為韌窩,在3# ,4# ,5# 試樣 中觀察到二次裂紋。不同表面狀態(tài)試樣的斷裂形式均為微孔聚集斷裂,表明雖然引入了缺口,存在應(yīng)力 集中,但缺口處仍然發(fā)生塑性變形,表現(xiàn)為延性 斷裂。 

圖10為1# ~5# 試樣斷口側(cè)面的顯微組織形 貌,晶粒經(jīng)歷過變形,產(chǎn)生一些碎化,1# ,2# 和3# 試 樣碎化較輕微,4# 和5# 試樣晶粒碎化更嚴重,并且 在1# 試樣中觀察到一些孿晶。根據(jù)統(tǒng)計,1# ~5# 試樣中均存在大量的2°~5°的小角度晶界,晶界數(shù) 量隨表面質(zhì)量的下降及缺口尺寸的增加呈下降趨 勢,小角度晶界的數(shù)量越多,試樣變形越嚴重。

3 結(jié)論 

(1)表面拋光試樣的抗彎強度最大,表面打磨及 缺口試樣的抗彎強度略有降低,表明鈦合金應(yīng)變強化 能力較弱,沒有明顯的缺口強化效應(yīng),缺口尺寸對試樣 的抗彎強度影響較小,即抗彎強度對缺口不敏感。斷 裂應(yīng)變隨著表面質(zhì)量的下降及缺口尺寸的增加迅速減 小,缺口產(chǎn)生應(yīng)力集中時,應(yīng)變強化影響的范圍小,塑 性變形集中,導(dǎo)致鈦合金塑性對其表面狀態(tài)十分敏感。 

(2)利用DIC分析了不同表面狀態(tài)試樣的變形 情況,應(yīng)力集中程度越大的試樣,變形區(qū)域越小,斷 裂前的應(yīng)變也越小,表明材料容易斷裂。 

(3)斷口分析結(jié)果表明:Ti80合金主要斷裂形 式為韌窩斷裂,并存在大量的小角度晶界,晶界數(shù)量 隨表面質(zhì)量的下降及缺口尺寸的增加呈下降趨勢。

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<文章來源> 材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 8期 (pp:5-9)>