黨 寧， 趙嘉琪， 南 海， 吳國清

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

將尖切口強(qiáng)度理論用于ZTi6Al4V鑄造鈦合金損傷容限性能的評(píng)價(jià)，探討了不同退火溫度對其三點(diǎn)彎曲斷裂韌度KQ的影響。結(jié)果表明:尖切口試樣測定的斷裂韌度KQ1不等同于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)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(diào)ZTi6Al4V鑄造鈦合金的強(qiáng)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(dá)到78.11 MPa·m1/2和79.44MPa·m1/2，屈服強(qiáng)度分別為 782.74MPa 和 771.49MPa，抗拉強(qiáng)度分別為 860.18MPa 和 853.0MPa，伸長率達(dá) 8.10% 和 7.46%，獲得了較好的強(qiáng)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(qiáng)鈦合金。具有中等強(qiáng)度、塑性好，可進(jìn)行熱處理強(qiáng)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(qiáng)度［1，2］。近年來，隨著斷裂力學(xué)和損傷容限理論的發(fā)展，飛機(jī)零構(gòu)件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則由傳統(tǒng)的靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)發(fā)展為損傷容限設(shè)計(jì)，相應(yīng)的中強(qiáng)或高強(qiáng)損傷容限型鈦合金成為鈦合金研究領(lǐng)域的重點(diǎn)之一［3，4］，研究主要針對變形鈦合金的斷裂機(jī)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(shù)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(shè)計(jì)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(bào)道。一般情況下，ZTi6Al4V鑄件沿用Ti-6Al-4V鍛件斷裂韌度的評(píng)價(jià)方法［8］測試，試樣的最小厚度B須達(dá)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(yù)制疲勞裂紋時(shí)可能會(huì)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(qiáng)度理論，認(rèn)為當(dāng)切口件切口根部曲率半徑小于某一臨界值ρc時(shí)，在斷裂前其切口根部區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變分布特性與裂紋尖端前沿區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變分布特性相近，此時(shí)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(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，切口問題可反映裂紋問題，并在此基礎(chǔ)上建立了切口強(qiáng)度與斷裂韌度的內(nèi)在聯(lián)系。王泓等應(yīng)用上述方法測試并評(píng)價(jià)了 Al2O3陶瓷［13］和有機(jī)玻璃［14］的斷裂韌度，然而該理論在鑄態(tài)金屬材料中的應(yīng)用尚未見報(bào)道。

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

1 試驗(yàn)

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(xué)成分達(dá)到了 GB/T 15073—1994《鑄造鈦及鈦合金牌號(hào)和化學(xué)成分》的要求，化學(xué)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(yàn)機(jī)進(jìn)行板狀試樣室溫拉伸試驗(yàn)，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(zhì)量分?jǐn)?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(jì)算方法和驗(yàn)證按照GB/T 4161—2007《金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度KIC試驗(yàn)方法》和GB/T 21143—2007《金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法》進(jìn)行。尖切口試樣三點(diǎn)彎曲斷裂韌度KQ1測試在SANS CMT5504試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)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(diǎn)彎曲斷裂韌度KQ測試試驗(yàn)，在MTS880±100 kN電液伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，加載速率仍為0.5mm/min，試樣預(yù)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(yàn)結(jié)束后得到力-位移曲線，根據(jù)該曲線進(jìn)行FQ的計(jì)算。將得出的FQ代入下式進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試樣KQ值的計(jì)算:

式中:f(a/W）函數(shù)值可在手冊中查表得出。

當(dāng)滿足下列三個(gè)條件時(shí)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(nèi)部評(píng)價(jià)，不能與其他材料的KIC進(jìn)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(jié)果及討論

表2給出了ZTi6Al4V鑄造鈦合金試樣力學(xué)性能的測試結(jié)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(qiáng)度變化在3%左右，塑性變化在14%左右。當(dāng)退火工藝為730℃/2h或850℃/2h時(shí)，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(dāng)退火工藝為790℃/2h時(shí)，試樣的強(qiáng)度較低，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為765.37MPa和841.55MPa;而當(dāng)退火工藝為760℃/2h時(shí)，試樣獲得了較好的強(qiáng)度和塑性匹配，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)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(xué)性能測試結(jié)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(jié)果，可以看出，通過調(diào)整退火溫度，可實(shí)現(xiàn)對ZTi6Al4V鑄造鈦合金斷裂韌度的微調(diào)，KQ1的變化范圍在4%左右，KQ的變化在10%左右。在760℃退火時(shí)，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(shí)，試樣的KQ與KQ1達(dá)到最大值，分別為79.44MPa·m1/2和55.26MPa·m1/2。預(yù)制疲勞裂紋試樣的斷裂韌度(KQ）低于不預(yù)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(dòng)呈現(xiàn)出正相關(guān)趨勢。文獻(xiàn)［10］和文獻(xiàn)［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(guān)趨勢的原因。他們認(rèn)為，裂紋件可以看成是一種當(dāng)切口半徑ρ→0時(shí)的特殊切口件，光滑構(gòu)件看成是當(dāng)切口半徑ρ→∞時(shí)的特殊切口件;ρ越趨近于0，切口件尖端應(yīng)力應(yīng)變分布特性與裂紋件尖端的應(yīng)力應(yīng)變分布特性越趨于一致，由此測量計(jì)算出的兩者的斷裂韌度值正相關(guān)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(dǎo)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(jìn)行有條件的定性的比較研究。

運(yùn)用(2）～(4）式進(jìn)行驗(yàn)證，KQ與KQ1的數(shù)據(jù)結(jié)果均不滿足KQ=KIC的條件，因此，本研究中尖切口三點(diǎn)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(jié)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(qiáng)度表現(xiàn)出先降低，后略有升高的趨勢。在790℃退火時(shí)達(dá)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(qiáng)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(guān)趨勢。當(dāng)退火溫度在700～790℃范圍內(nèi)變化時(shí)，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(shí)抗拉強(qiáng)度卻呈現(xiàn)出極大值，為853.72MPa;退火溫度為790℃時(shí)，斷裂韌度KQ1出現(xiàn)極大值，為78.58MPa· m1/2，然而此時(shí)，抗拉強(qiáng)度卻出現(xiàn)極小值，σb=841.55MPa。而當(dāng)退火溫度在790～850℃變化時(shí)，ZTi6Al4V鑄造鈦合金試樣抗拉強(qiáng)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(shí)，斷裂韌度KQ1呈現(xiàn)出極大值，此時(shí) KQ1=79.44MPa·m1/2。文獻(xiàn)［15］的研究者指出，出現(xiàn)這種負(fù)相關(guān)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(guān)。

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(píng)價(jià)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(shè)計(jì)理念指導(dǎo)下進(jìn)行工藝選擇時(shí)，應(yīng)首先滿足較高的斷裂韌度，其次再滿足強(qiáng)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(qiáng)塑性的匹配。對于ZTi6Al4V鑄造鈦合金板材，當(dāng)選擇700℃或820℃的退火時(shí)，獲得了較好的斷裂韌度，KQ1值分別可達(dá)78.11 MPa·m1/2和79.44MPa· m1/2，KQ值可達(dá) 51.25 MPa· m1/2和55.26 MPa·m1/2。同時(shí)，在這兩個(gè)溫度下退火后的鑄造板材也具有比較良好的強(qiáng)塑性匹配，屈服強(qiáng)度分別為782.74MPa和 771.49MPa，抗拉強(qiáng)度分別可達(dá)860.18MPa 和 853.0MPa，而伸長率也達(dá) 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(qiáng)度、塑性和韌性的匹配。

3 結(jié)論

(1）ZTi6Al4V鑄造鈦合金斷裂韌度的測試結(jié)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(biāo)準(zhǔn)斷裂韌度方法得到的KQ值呈正相關(guān)關(guān)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(diào)作用，隨著退火溫度的變化，合金的斷裂韌度值與強(qiáng)度值呈現(xiàn)一定程度的負(fù)相關(guān)。

(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(qiáng)塑性的匹配，屈服強(qiáng)度分別為782.74MPa和771.49MPa，抗拉強(qiáng)度可達(dá) 860.18MPa 和853.0 MPa，伸長率達(dá)8.10%和 7.46%，斷裂韌度 KQ1值可達(dá) 78.11 MPa·m1/2和 79.44MPa·m1/2。

［1］OHKUBO C，F(xiàn)ORD J P，OKABE T，et al.The machinability of cast titanium and Ti–6Al–4V［J］.Biomaterials，2000，21(4）:421 －428.

［2］CUI C X，HU B X，ZHAO L X，et al.Titanium alloy production technology，market prospects and industry development［J］.Materials and Design，2011，32(3）:1684 －1691.

［3］OBERWINKLER B，RIEDLER M，EICHLSEDER W.Importance of local microstructure for damage tolerant light weight design of Ti–6Al–4V forgings［J］.International Journal of Fatigue，2010，32(5）:808 －814.

［4］曹春曉.選材判據(jù)的變化與損傷容限鈦合金的發(fā)展［J］.金屬學(xué)報(bào)，2002，38，(增1）:125－128.

(CAO C X.Change of material selection criterion and development of high damage-tolerant titanium alloy［J］.Acta Metallurgica Sinica，2002，38(Suppl 1）:125 －128.）

［5］CHANDRARAO B S，SRINIVAS M，KAMAT S V.Effect of temperature on fracture toughness of timetal 834 titanium alloy under mode I and mixed I/III loading［J］.Metallurgical and Materials Transactions，2008，39:1340 －1349.

［6］CHEN Y Y，NIU H Z，KONG F T.et al.Microstructure and fracture toughness of α β phase contain TiAl alloy［J］.Intermetallics.2011，19:1405 －1410.

［7］ZHANG J K，CHENG X Q，LI Z N.Total fatigue life prediction for Ti-alloys airframe structure based on durability and damage-tolerant design concept［J］.Materials and Design，2010，31(9）:4239 －4335.

［8］束德林.工程材料的力學(xué)行為［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2006:91－93.

［9］WILLIAMS J C，STARKE E A.Progress in structural materials for aerospace systems［J］.Acta Materialia，2003，51(19）:5775.

［10］ZHENG X L.On an unified model for predicting notch strength and fracture toughness［J］.Engineering Fracture Mechanics，1989，33(5）:685 －695.

［11］NODA N A，SERA M，TAKASE Y.Stress concentration factors for round and flat test specimens sith notches［J］.International Journal of Fatigue，1995，17(3）:163 －178.

［12］SHABARA M A，DOMINATY A A.ANSARY M D.Estimation of plane strain fracture toughness from circumferentially bluntly notched round-bar specimens［J］.Engineering Fracture Mechanics，1996，54(4）:533 －541.

［13］王峰會(huì)，王泓，鄢君輝.兩種Al2O3結(jié)構(gòu)陶瓷斷裂強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)分析［J］.稀有金屬材料與工程，2000，29(5）:311－314.

(WANG F H，WANG H，YAN J H.Statistical analysis of fracture strength for two kinds of Al2O3structural ceramics［J］.Rare Metal Materials and Engineering.2000，10(5）:311 －314.）

［14］王泓，鄢君輝，鄭修麟.航空有機(jī)玻璃切口強(qiáng)度及切口敏感性［J］.機(jī)械強(qiáng)度，2001，23(2）:131－133.

(WANG H，YAN J H，ZHENG X L.Predicting of notch strength and notch sensitivity in aviation polymethyl methacrylate［J］.Journal of Mechanical Strength，2001，23(2）:131 －133.）

［15］張旺鋒，李興無，馬濟(jì)民，等.組織類型對鈦合金損傷容限性能的影響及電鏡原位觀察［J］.航空材料學(xué)報(bào)，2006，26(3）:313 －314.

(ZHANG W F，LI X W，MA J M，et al.Effect of microstructure on damage tolerance properties and SEM in-situ observation for titanium alloy［J］.Journal of Aeronautical Materials，2006，26(3）:313 －314.）

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。