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钛及钛合金的失效与改善措施
钛及钛合金的失效与其预防
钛及钛合金的失效与其预防
钛及钛合金是20世纪50年代兴起的一种重要结构金属,被联合国《世界经济的未来》报告誉为继钢、铝之后21世纪的第三金属。钛及钛合金具有许多优异的性能,比如低密度,高熔点,高比强度,耐腐蚀性能优异,高低温性能好,无磁性,声波和振动的低阻尼特性,生物相容性好,具有超导特性、形状记忆和吸氢特性等,被称为“太空金属”和“海洋金属”,在航空航天、海洋开发、化工、冶金、电力、医用材料、体育休闲业、汽车等领域有着广阔的应用。
钛及其合金在航空航天领域[1]得以广泛应用,在航空发动机上不断取代铝合金、镁合金及钢构件。这得益于钛合金的高比强度远超过强度高而密度大的钢以及重量轻但强度较低的铝合金;并且钛合金的耐热性远高于铝合金,目前先进耐热钛合金的工作温度可达550℃~600℃,同时低温钛合金则在-253℃还能保持良好的塑性;另外钛及其合金优良的抗蚀性,特别是在海水和海洋大气中抗蚀性极高,这对舰载飞机、水上飞机以及沿海地区服役的飞机都十分有利。尽管钛合金具有诸多优点,但也存在一些缺点限制了它的应用。钛及其合金的弹性模量低,容易变形失稳,不宜作细长杆件和薄壁件;钛及其合金导热性差、摩擦系数高,容易导致粘连,不宜用作有摩擦关系的零部件;制造成本高等。
钛及其合金不仅在军事领域得到广泛应用,其在民用工业领域的应用
也日益增多。由于这些钛制构件的受力状况和工作环境各不相同,其常见的失效模式主要有:;,如钛合金的氧污染、应力腐蚀断裂、氢脆等;
,如外物磨蚀、冲刷等;,由于刚性不够而在使用条件下失稳失效;,包括变形过大、蠕变断裂、蠕变脆化等。
1. 疲劳断裂失效
疲劳断裂是零部件在交变载荷(应力或应变)反复作用下的累积损伤过程,这是钛合金零部件最主要的失效模式,如压气机颤振引起叶片的低周疲劳、振动引起转子叶片的高周疲劳等。
(1)低周疲劳断裂
金属在交变载荷作用下由于塑性应变的循环作用而引起的疲劳破坏叫做低周疲劳,也称塑性疲劳或应变疲劳。低周疲劳寿命很短,一般低于105周次。钢及铝合金在退火状态下一般表现为循环硬化,而大多数退火状态的钛合金在低周疲劳过程中一般表现为循环软化。循环软化或循环硬化是指金属材料在应变(应力)保持一定的情况下,应力(应变)在循环过程中下降(增高)或增高(下降)的现象。对结构件的设计而言,一般选用循环稳定或循环硬化的材料,而大多工业钛合金属于循环软化材料,在使用过程中,若处于应力控制,则会产生过量的塑性变形而使构件破坏或失效。
(2)高周疲劳断裂[2]
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钛及钛合金的失效与其预防
传统的高周疲劳破坏是指材料远小于其屈服应力下发生的疲劳断裂,其疲劳寿命一般在105周次~107周次之间。钛合金高周疲劳尤其对对组织类型和表面状态十分敏感,因而疲劳试验数据分散性大。钛合金高周疲劳断裂的最重要特征是疲劳缺口敏感性高,缺陷敏感性大。钛合金高周疲劳断裂缺陷敏感性可以通过疲劳试样表面粗糙度(不同表面粗糙度对钛合金疲劳极限影响极大)、尺寸、残余应力的影响得到证明。钛合金发生高周疲劳破坏主要是由于高频振动所致,尤其构件存在微小缺陷的情况下,由于其他零部件的强迫振动会导致构件的疲劳开裂。