稀有金属 2008,(01),13-16 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2008.01.011
TiAl基合金双态组织平板拉伸连续卸载试验的研究
朱浩 陈剑虹 张继
兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,冶金部钢铁研究总院高温材料研究所 甘肃兰州730050,兰州理工大学有色金属合金省部共建教育部重点实验室,甘肃兰州730050,甘肃兰州730050,兰州理工大学有色金属合金省部共建教育部重点实验室,甘肃兰州730050,甘肃兰州730050,兰州理工大学有色金属合金省部共建教育部重点实验室,甘肃兰州730050,北京100081
摘 要:
通过多次拉伸卸载试验对TiAl基合金在经历多次拉伸卸载以后宏观性能和微裂纹面密度的变化, 以及前一阶段的损伤对随后阶段损伤产生的影响进行了详细的研究。研究表明:在载荷控制下的试验中, 随着卸载应力的增加, 裂纹面密度并没有增大, 即用微裂纹表征的损伤程度并没有增加的趋势;整个多次拉伸卸载过程并不影响材料的弹性模量E;当拉伸到某一个应力下, 宏观表现为断裂应力σf, 断裂应变εf和单位面积断裂功W′开始减小。材料在载荷控制的拉伸中产生损伤的程度并不能用弹性模量E和裂纹面密度ω来衡量。
关键词:
层状TiAl基合金 ;多次拉伸卸载 ;预损伤 ;裂纹面密度 ;
中图分类号: TG115.52
收稿日期: 2007-04-02
基金: 国家自然科学基金 (50471109); 甘肃省自然科学基金 (3ZS061-A25-037) 资助项目;
Repeated Tension Test of Duplex Structure TiAl Based Alloys
Abstract:
The repeated tension test of the specimens of duplex structure TiAl based alloy was carried out using loadamatic control procedure.Surface density of microcrack and performance of the specimens subjected to different processes of repeated tension test were measured.The effect of damage produced in the previons stage of the test on that produced in the late stage was also studied. Results showed that, the surface density of cracks did not increase with the increasing of unloading stress, the surface density of cracks was not regarded as a damage parameter through statistical analysis.No appreciable effects of microcrack damage on the apparent elastic modulus (E) could be found in the processes.Microcracks damage produced at higher preloading reduced the fracture stress (σf) , fracture strain (εf) and fracture energy per unit (W′) , however, that produced at lower preloading gave diminished effects.Damage produced in the load-control could not be evaluated by the elastic modulus (E) and surface density of crack (ω) .
Keyword:
lamellar titanium aluminum alloys;repeated tension test;pre-damage;the surface density of cracks;
Received: 2007-04-02
在工程材料受载后的变形过程中, 材料内部结构往往会出现不可逆转的变化。 这种材料微观机制的改变通过微孔洞或裂纹的产生与发展表现出来。 它们不仅导致宏观裂纹的出现, 也会弱化材料的整体力学性能, 如降低材料的强度、 刚度以及断裂韧性, 缩短材料剩余寿命等
[1 ]
。 另外冯西桥等
[2 ]
指出在脆性材料发生损伤后, 材料内的微裂纹引起材料的各向异性。 材料在各种外界条件下的损伤行为非常复杂, 所以很难有一定形的损伤理论问世, 每一种理论都有它存在的条件及应用范围。 由于TiAl基合金具有高的比强度、 比模量、 良好的抗氧化性、 抗蠕变性、 优良的高温强度、 刚度以及低的密度等优点, 使之优于目前的金属及其合金, 成为一类很有发展前途的高温结构材料
[3 ,4 ,5 ]
。 但对于准脆性TiAl基合金来说, 其独特的性质及使用环境, 并没有一种现成的损伤理论适用它, 要搞清其断裂机制, 必须首先弄清其损伤行为。 本文从连续卸载-加载的角度来初步研究双态TiAl基合金平板试样在连续加载-卸载下的性能变化情况。
1 实 验
本实验所用材料为北京钢铁研究总院提供的γ-TiAl合金, γ-TiAl合金坯料在1250 ℃温度下进行18 h真空热处理随炉冷却形成由γ相和α2 相组成的双态组织, 它的室温组织形貌如图1所示, 化学成分组成为Ti-47.5Al-2.5V-1.0Cr。
用CKX-2AJ型电火花线切割机所切得的平板拉伸卸载试件如图2所示, 在室温下, 在IN-STRON-1341拉伸机上对所制取的拉伸卸载试样用载荷控制方式进行试验, 拉伸应变率和卸载应变率均为200 N·min-1 。 当加载到预先规定的载荷下卸载, 然后再加载到第二次预先规定的载荷下卸载, 卸载载荷逐渐增加, 如此来回拉伸卸载多次之后, 最后把试样拉伸断裂。 试验机自动记录加载和卸载时的载荷-位移曲线。 另一批试样经过同样的连续加载, 只是在最后阶段并不将试样拉断, 而是在最后卸载阶段对应的载荷下卸载, 然后对不同载荷下卸载的试样通过SEM-520观察表面及内部结构, 对表面裂纹和内部裂纹进行统计, 确定不同的卸载应力以及连续的循环加载过程对材料最后性能的影响。
图1 双态TiAl合金的显微结构图
Fig.1 Microstructures of duplex TiAl-based alloy
图2 拉伸或连续拉伸卸载试样尺寸 (mm)
Fig.2 Dimensions of specimens for tensile tests (mm)
2 结果与讨论
试验中得到的多次拉伸卸载宏观曲线如图3所示, 对应的宏观数据结果见表1。
图3 (a) 是DP-T-4试样拉伸到31.89 MPa卸载, 然后再拉伸断裂的应力-应变曲线, 从图中看出拉伸曲线和卸载曲线重合, 说明了材料在拉伸到31.89 MPa时没有发生不可逆应变。 图3 (b) 是DP-T-3试样拉伸到32.73 MPa卸载后所对应的拉伸卸载应力-应变曲线。 图3 (c) 为DP-T-10试样经历32.56 MPa-65.12 MPa-195.36 MPa-325.6 MPa连续卸载-加载直至拉断的应力-应变曲线。 图3 (d) 是对应于试样DP-T-10的卸载过程在325.42 MPa卸载后的卸载试样DP-T-9对应的拉伸卸载曲线。 由图3及表1可见, 试样经历194.34 MPa以前的卸载应力时, 没有明显的不可逆应变, 此时的断裂应力σ f 没有明显的变化; DP-T-10拉伸到325.6 MPa时有很少的不可逆应变产生, 此时的断裂应力σ f 已经开始有了下降的趋势; 图3 (e) 为DP-T-13试样在经历试样DP-T-10的连续卸载过程后再在392.52 MPa卸载后拉断的应力-应变曲线。 图3 (f) 是对应于试样DP-T-13的卸载过程在394.57 MPa卸载后的卸载试样DP-T-11对应的拉伸卸载曲线。 图3 (g) 为DP-T-14试样在经历试样DP-T-13的连续卸载过程后再在418.76 MPa卸载后的应力-应变曲线。 由图3 (e) , (f) 和 (g) 可见, 试样拉伸到392.52 MPa后卸载时产生了明显的不可逆应变, 卸载后残余应变大约为0.005~0.007, 使得此时的断裂应力σ f 明显地减小。
图3 双态组织试样多次拉伸卸载工程应力-工程应变曲线
Fig.3 σ -ε curves of repeatedly preload-unload-reload processes of specimens
(a) Tensile fracture specimen DP-T-4 after preloading at 31.89 MPa; (b) Tensile unloading specimen DP-T-3 after preloading at 32.73 MPa; (c) Tensile fracture specimen DP-T-10 after preloading at 33 MPa, reloading at 65, 195, 326 MPa; (d) Tensile unloading specimen DP-T-9 after preloading at 32.54, 65.08, 195.25, 325.42 MPa; (e) Tensile fracture specimen DP-T-13 after preloading at 33 MPa, reloading at 65, 196, 327, 392 MPa; (f) Tensile unloading specimen DP-T-11 after preloading at 32.88, 65.76, 197.29, 328.81, 394.57 MPa; (g) Tensile unloading specimen DP-T-14 after preloading at 33 MPa, reloading at 65, 196, 327, 393, 419 MPa
结合图3发现无论经过几次拉伸卸载, 双态组织的弹性模量E 基本没有变化; 它们的断裂应力σ f , 断裂应变ε f 以及单位面积断裂功W ′在卸载应力325.60 MPa以前几乎没有什么变化, 而在卸载应力增大到325.60 MPa以后这些宏观性能也明显减小。 说明这种材料在达到一定的卸载应力时才发生损伤。 而这种损伤并不影响材料的弹性模量E 。 另外这种材料的损伤程度也不能用裂纹的面密度来衡量。 具体情况可以结合不同卸载应力 (载荷) 下的微裂纹数量来加以证明, 微裂纹数量统计如表2所示, 微裂纹特征如图4所示 (图中水平方向代表拉伸方向) , 所产生的微裂纹大多数沿着晶粒边界产生, 并且微裂纹尺寸也很小, 这主要与双态组织细小的晶粒尺寸有关。 由图4可见, 裂纹的数量不是随着卸载应力的增大而增多, 裂纹的长度也没有随着卸载应力的增大而增长, 这就说明了随着卸载应力的增大, 用微裂纹表征的损伤程度并没有增加的趋势。
通过以上各类试验结果的分析可见, 对于这类材料在经过一定的加载-卸载-加载后, 其材料的断裂应力确实在经过多次的循环加载以及较大的卸载应力时有所下降, 同时产生的不可逆应变也逐渐增加。 尽管在载荷控制的过程中, 虽然产生的微裂纹密度较小, 但是微裂纹刚好集中于一截面积上, 这就使得其断裂性能降低, 即面积效应最终导致断裂应力的降低。 但是由于双态组织的晶粒尺寸较小, 产生的微裂纹尺寸也较小, 这样使得经不同卸载应力及连续的卸载过程后的断裂性能影响不是太显著。
图4 双态组织不同卸载应力下的表面裂纹观察
Fig.4 Metallographic surfaces of specimens unloaded at various applied loads for duplex alloys
(a) 31.89 MPa; (b) 32.71 MPa, 65.42 MPa, 196.26 MPa, 327.10 MPa, 392.52 MPa
表1 双态组织TiAl合金拉伸-卸载-断裂后的试验结果*
Table 1 Results of Tensile-Fracture Tests of duplex TiAl alloys after various repeated preload-unload-reload processes *
Specimens
S e /mm2
σ unload /MPa
σ f /MPa
σ 0.2 /MPa
ε f
W f / (J·mm-2 )
DP-T-4
1.96*4.0
31.89
450.23
360.26
0.01319
0.0595
DP-T-6
1.96*4.0
31.89, 63.78
431.58
328.80
0.01274
0.0533
DP-T-8
1.92*4.02
32.39, 64.78, 194.34
451.33
375.77
0.01247
0.0568
DP-T-10
1.92*4.0
32.56, 65.12, 195.36, 325.60
414.18
367.95
0.01043
0.0406
DP-T-12
1.94*3.92
32.71, 65.42, 196.26, 327.10, 392.52
426.98
422.45
0.00973
0.0221
DP-T-13
1.94*3.94
32.71, 65.41, 196.24, 327.07, 392.49
424.85
417.36
0.01345
0.0255
* w f =fracturework per unit areas, σ f =fracture stress; ε f =fracture stress; σ 0.2 =yield stress
表2 双态TiAl合金经连续卸载后裂纹统计结果
Table 2 Crack statistical results of tensile preload-unload tests of duplex TiAl alloys
Specimens
S e /mm2
σ unload /MPa
ω /mm-2
DP-T-3
1.96*4.02
31.73
15.26
DP-T-5
1.92*3.98
32.72, 65.43
8.30
DP-T-7
1.92*3.96
32.88, 65.76, 197.29
16.02
DP-T-9
1.94*3.96
32.54, 65.08, 195.25, 325.42
19.37
DP-T-11
1.92*3.96
32.88, 65.76, 197.29, 328.81, 394.57
11.58
DP-T-14
1.92*3.98
32.72, 65.43, 196.29, 327.16, 392.59, 418.76
21.47
* S e =true area of original cross section, σ unload =unload stress, ω =total average crack density
然而随着卸载-加载的不断重复, 其弹性模量并没有发生变化, 这又说明这类材料的不断循环加载对材料的弹性模量没有影响。 一方面由于在载荷控制方式下, 外加应力的增加速率是一定的, 尤其在比较快的加载速率下, 微裂纹没有足够的时间产生; 在晶粒尺寸较小的双态组织中, 由于裂纹一般产生于晶粒边界或者层间, 这就使得产生的微裂纹所引起的体积效应较小。 同时在平板试验中, 由于整个平板的应力是均匀的, 所产生的微裂纹与层取向、 晶粒都有很大关系, 因此出现随着卸载应力的增加微裂纹并没有增加的变化趋势。 这些规律与在位移控制下的卸载试验结果
[6 ]
完全不同。
由上面的分析我们发现在载荷控制下的试验中, 随着卸载应力的增加, 裂纹面密度并没有增大。 而在定向凝固组织中采用了位移控制模式, 随着卸载应力的增加, 裂纹面密度在增大, 即用微裂纹面密度表征的损伤程度增大
[6 ]
。 这在一定程度上是由于两种控制模式的差异所引起。
3 结 论
1. 在载荷控制连续加载-卸载过程中, 弹性模量并没有降低, 说明微裂纹损伤引起的体积效应在此过程中比较弱。 当较高应力下卸载时, 宏观表现为断裂应力σ f , 断裂应变ε f 和单位面积断裂功W ′开始减小。 这是因为微裂纹损伤引起的面积效应仅仅表现在断裂面上, 所以在此过程中面积效应较为明显, 导致断裂应力降低。
2. 材料在载荷控制的拉伸中产生损伤的程度并不能用弹性模量E 和裂纹面密度ω 来衡量。
参考文献
[1] Krajcinovic D.Damage Mechanics[M].Elsevier Science Publish-ers, North-Holland, 1996.
[2] 冯西桥, 余寿文.准脆性材料细观损伤力学[M].清华大学出版社, 2003.
[3] 陈国良, 林均品.有序金属间化合物结构材料物理金属学基础[M].冶金工业出版社, 1999.10.
[4] 黄伯云.钛铝基金属间化合物[M].中南工业大学出版社, 1998.12.
[5] Dimiduk D M.Gamma titanium aluminide alloys-an assessmentwithin the competition of aerospace structural materials[J].Mater.Sci.Eng.A, 1999, A263:281.
[6] 朱浩, 曹睿, 张继, 陈剑虹.不同卸载应力对层状TiAl基合金损伤程度的影响[J].稀有金属, 2006, 30 (3) :313.