石科學(xué)，張浩，茍曼曼

（西安漢唐分析檢測有限公司， 陜西西安 710016）

鈦合金具有較好的綜合力學(xué)性能，優(yōu)良的鍛造工藝性能，且熱處理工藝簡單易行，耐高溫，焊接性能優(yōu)良，主要用于制造高性能飛行器的重要構(gòu)件。由于鈦合金薄板材被廣泛用于構(gòu)件的關(guān)鍵部位，是結(jié)構(gòu)體的主要承壓和承熱材料，高溫蠕變性能是決定鈦合金結(jié)構(gòu)部件質(zhì)量的關(guān)鍵。

由于航空用鈦合金薄板（0.5 mm～4 mm厚度）的拉伸蠕變性能對樣品尺寸、試驗溫度、測量器具，設(shè)備精度具有高度敏感性，依照GB/T 2039-2012《金屬材料單軸拉伸蠕變試驗方法》［1］對鈦合金薄板進行拉伸蠕變性能檢測，在滿足實驗條件的情況下，檢測結(jié)果差異性較大，不能夠反映材料的真實性能，不利于產(chǎn)品性能的提高。因此本文針對航空用鈦合金薄板的拉伸蠕變性能測試細節(jié)，對于標(biāo)準(zhǔn)中未明確規(guī)定的試驗因素進行確認(rèn)，解決實驗結(jié)果差異性大等技術(shù)缺陷，從而提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 測量原理

通過長時間的恒溫和恒應(yīng)力作用，金屬材料發(fā)生緩慢的塑性變形，蠕變變形測量采用雙側(cè)引伸計或非接觸式引伸計，根據(jù)試驗要求進行多步控制獲得蠕變變形量、應(yīng)力、溫度隨時間變化的原始數(shù)據(jù)，如圖1所示給出了高溫條件下應(yīng)變量和時間關(guān)系曲線，根據(jù)蠕變試驗標(biāo)準(zhǔn)給出的不同蠕變性能指標(biāo)公式計算獲得相關(guān)結(jié)果。

2 影響測試原因分析

2.1 試驗過程中高溫爐的影響

現(xiàn)有板材蠕變標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2039-2012中規(guī)定溫度不大于600℃時溫差和溫度梯度允許偏差為±3℃，試驗溫度位于600℃～800℃時允許偏差為4℃。應(yīng)當(dāng)按照標(biāo)準(zhǔn)定期對高溫爐和儀表進行校準(zhǔn)，保證試驗時溫度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。同時板材試樣樣品原始標(biāo)距長度100mm，試驗過程中需要爐子均溫區(qū)盡量大，試驗過程中試樣在高溫應(yīng)力作用下會發(fā)生變形，同時裝樣時應(yīng)盡量把樣品裝在高溫爐的均溫區(qū)的中心位置。

2.2 薄板試樣尺寸及加工

因為薄板樣品厚度尺寸和機加工寬度對結(jié)果影響較大，板材試樣厚度不進行加工，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定橫截面面積應(yīng)取樣品橫截面積的平均值，如果標(biāo)距范圍內(nèi)板材厚度差異較大，那么厚度較小處容易先發(fā)生變形而不是標(biāo)距范圍內(nèi)均勻變形。這種情況下應(yīng)對板材試樣進行打磨處理或重新取樣加工，避免因為試樣厚度不均勻?qū)е聹y試結(jié)果出現(xiàn)偏差。同時加工樣品時應(yīng)保證試樣兩端臺階平行對稱，試樣兩端孔中心位置與試樣中軸線對齊。

2.3 試驗機同軸度及工裝夾具

試驗機的同軸度對薄板材的蠕變結(jié)果影響很大，試驗證明相同條件下同軸度較差的試驗機測試獲得的試驗結(jié)果差異特別大［2］。在進行試樣安裝時應(yīng)注意板材工裝夾具與樣品的安裝，夾具與工裝配合不緊密時容易造成板材受力不在試驗機軸心上，銷釘不合適時容易造成板材試樣孔位置發(fā)生變形，從而影響蠕變試驗結(jié)果［3］。

3 測試方法改進

在提高試驗機、高溫爐和引伸計精度的情況下，試驗過程中應(yīng)當(dāng)重點對樣品和工裝夾具進行詳細的規(guī)定，避免試驗過程中樣品和工裝夾具等因素對蠕變試驗結(jié)果的影響。

3.1 試樣加工

由于蠕變試驗對薄板試樣的加工精度要求較高，加工時應(yīng)首先檢查薄板厚度尺寸是否滿足標(biāo)準(zhǔn)公差要求，如不滿足應(yīng)當(dāng)進行打磨直至滿足要求，試樣表面粗糙度Ra不應(yīng)大于0.4μm。樣品加工建議采用線切割方式加工，這樣能夠保證試樣兩端凸臺平行對稱，對板材試樣打孔時應(yīng)保證孔中心位置位于試樣中軸線上，要求薄板試樣兩端銷孔中心連線與試樣中軸線的偏移量不應(yīng)超過0.05 mm。這樣加工有助于樣品在安裝引伸桿測量變形過程中同軸度的調(diào)節(jié)，測量裝樣前應(yīng)對試樣表面進行清洗去除表面油污。

3.2 工裝夾具

薄板試樣采用銷孔方式與試驗機連接，選用合適的板材夾具，保證試樣與槽兩側(cè)總間隙不超過0.5mm，如果試樣與槽兩側(cè)間隙過大應(yīng)在兩側(cè)添加厚度相同的墊片保證試樣在試驗機中軸線上，間隙差異較大時建議在板材試樣兩端焊接墊片或加工合適的工裝夾具再進行試驗，銷釘應(yīng)與板材銷孔緊密配合。

3.3 試樣變形測量同軸度調(diào)節(jié)

試驗時變形測量引伸計安裝完成后，在室溫下進行同軸度調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)時要求在彈性變形階段調(diào)整試樣安裝同軸度，建議在確定材料性能的前提下，同軸度調(diào)整施加載荷可以達到試驗力的80%。從而能夠確保兩側(cè)變形測量的均勻一致。試樣同軸度為兩側(cè)彈性變形階段變形量與平均值之差除以平均值，要求同軸度不大于10%，如果不滿足要求則需要對引伸桿和試樣進行微調(diào)或重新安裝直至滿足要求。

3.4 保溫、加載和卸載

試驗時規(guī)定保溫時間不應(yīng)小于1 小時。保溫結(jié)束后進行試驗力加載，施加試驗力過程中應(yīng)無振動，加載速度不得大于500 N/s，并應(yīng)保證在1分鐘內(nèi)完成加載。卸載時建議設(shè)備自動卸載，卸載過程中速率不宜太快，應(yīng)平穩(wěn)無振動，卸載時卸除試驗載荷，在初負荷條件、試驗溫度下應(yīng)至少保溫5小時，直至變形測量裝置讀數(shù)無明顯變化為止，停止試驗［4］。

通過改進后的試驗方法進行蠕變試驗，獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果重復(fù)性大幅提高，不同實驗室間根據(jù)細化后的方法進行試驗獲得的蠕變結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

（1）薄板試樣的尺寸偏差和加工薄板試樣的尺寸偏差和加工，試驗高溫爐的穩(wěn)定性和均溫區(qū)較小，薄板蠕變與工裝夾具的連接，安裝引伸計后變形同軸度的調(diào)節(jié)等因素對蠕變試驗結(jié)果的影響較大。

（2）通過對蠕變試樣加工、工裝夾具和同軸度調(diào)節(jié)的嚴(yán)格要求，薄板蠕變測試結(jié)果的穩(wěn)定性大幅提高。