表面质量和缺口对Ti80合金弯曲性能的影响.pdf
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1、5试验与研究2023年第59 卷PTCA(PARTA:PHYS.TEST)8理化检验-物理分册D0I:10.11973/lhjy-wl202308002表面质量和缺口对Ti80合金弯曲性能的影响高琛,徐魁龙,王磊,蔡海琛(中国船舶集团有限公司第七二五研究所,洛阳47 1 0 2 3)摘要:利用数字图像相关方法研究了Ti80合金表面质量和缺口对其三点弯曲性能的影响,采用扫描电镜及电子背散射衍射方法对断口进行观察。结果表明:表面抛光试样的抗弯强度最大,表面打磨及缺口试样的抗弯强度略有降低,没有明显的缺口强化效应,断裂应变随着表面质量的下降及缺口尺寸的增加而迅速减小;应力集中系数越大,试样的变形区域
2、越小,应变强化能力越弱;Ti80合金的断口呈韧窝形貌,存在大量的小角度晶界。关键词:钛合金;表面质量;缺口;应力集中;三点弯曲中图分类号:TB31;T G 1 1 5.5文献标志码:A文章编号:1 0 0 1-40 1 2(2 0 2 3)0 8-0 0 0 5-0 5Effect of surface quality and notch on bending properties of Ti80 alloyGAO Chen,XU Kuilong,WANG Lei,CAI Haichen(Luoyang Ship Material Research Institute,Luoyang 4710
3、23,China)Abstract:The effects of surface quality and notch on the three-point bending properties of Ti80 alloy werestudied by digital image correlation method.The fracture surface was observed by scanning electron microscopy andelectron backscatter diffraction.The results show that the bending stren
4、gth of the surface polished sample was thelargest,the bending strength of the surface polished and notched samples decreased slightly,and there was noobvious notch strengthening effect.The fracture strain decreased rapidly with the decrease of surface quality and theincrease of notch size.The larger
5、 the stress concentration factor,the smaller the deformation area and the weakerthe strain hardening ability of the sample.The fracture morphology of Ti80 alloy was dimple,and there were a largenumber of low angle grain boundaries.Keywords:titanium alloy;surface quality;notch;stress concentration;th
6、ree-point bending海洋资源的开发利用是解决能源问题的重要途径之一。海洋资源的勘探和开发离不开海洋工程装备。钛合金是一种具有优异耐海水腐蚀性能的结构材料,具有无磁性、无冷脆性,是非常理想的海洋装备制造材料,可解决深海装备普遍存在的浮力储备不足、结构安全可靠性欠佳等问题,可以很好地满足海洋工程应用的要求 1-4。然而,由于舰船用钛合金的服役工况较为复杂,在服役过程中不可避免地产生局部腐蚀、轻微划伤等表面缺陷。大量的研究和试验结果表明,钛合金表面质量和缺口会大大降低其使用性能 5-6 。打磨态钛合金的板材表面存在大量微划痕,轻微的外物撞击可能会使其出现表面局收稿日期:2 0 2 3-
7、0 4-2 4作者简介:高琛(1 994一),男,硕士,主要从事金属材料力学性能测试工作,0 46 42 6 1 2 3 1 2 部损伤,严重的会产生缺口,而缺口会改变构件在载荷下的应力分布。材料服役时,其缺口处易产生应力集中,导致裂纹过早萌生,最终缩短其使用寿命,给装备的服役带来极大的安全隐患 7-8 。此外,实验室加工标准试样的表面状态要优于构件的实际状态,由标准试样测试出的材料性能与服役状态下的材料性能会有一定差距。钛合金的表面状态对其在深海高压环境下的力学行为有重要影响,目前已有很多学者研究了钛合金表面质量,如缺口、粗糙度对其静态拉伸性能及疲劳性能的影响 9-1 0 。田伟等 9研究了
8、不同缺口对TC17钛合金拉伸性能和低周疲劳性能的影响,应力集中系数越高,抗拉强度越高,但是疲劳寿命会在应力集中系数大于1.92 时急剧下降。用弯曲力学性能评价表面敏感性的研究却少有报道。横向弯曲是一种较为常见的承载模式,弯6高琛,等:表面质量和缺口对Ti80合金弯曲性能的影响理化检验-物理分册曲力学性能是衡量设备安全可靠性的重要因素,尤其对于深海用装备结构材料,其服役过程中部分部位的承力甚至超过材料的屈服强度,失效模式多种多样,目前对于弯曲载荷下钛合金表面状态对材料强度、局部塑性变形行为的影响尚不明确。因此,研究表面状态对钛合金弯曲力学性能的影响对钛合金在深海装备主结构上的应用安全性具有重要意
9、义。针对Ti80合金板材的打磨划痕、缺口等表面缺陷,笔者利用数字图像相关(DIC)方法研究了Ti80合金表面质量及缺口对其弯曲力学行为、局部变形行为的影响,并结合扫描电镜(SEM)以及电子背散射衍射技术(EBSD)分析该类表面缺陷在Ti80合金局部变形过程中的作用机制,为其在深海环境下的安全应用提供支持。1试验材料与方法试验材料为Ti80板材,显微组织为等轴和板条的双态组织(见图1)。为了分析不同表面状态对其力学性能的影响,设计了1#光滑表面抛光试样、2#原始表面试样以及3 种缺口试样,试样厚度均为8 mm,3#试样缺口深度为0.1 mm,缺口曲率半径为0.1 mm,4#试样缺口深度为1 mm
10、,缺口曲率半径为0.0 5mm,5#试样缺口深度为1 mm,缺口曲率半径为0.2 5mm,缺口试样结构如图2 所示,缺口试样尺寸如图3 所示。对5种类型试样进行三点抗弯强度测试,每种试样取2 个。试验前在试样表面喷制随机分布的散斑标点,采用视频引伸计测量试样表面应变,可实现与试验设备同步采集数据。参考YB/T53492014金属材料弯曲力学性能试验方法进行三点弯曲试验,支点跨距为40 mm,压辊直径为1 0 mm,支辊直径为4mm,试验速率为2 mm/min。试样断裂后,利用双束扫描电子显微镜对试样断裂侧面进行观察。70um图1 Ti80合金原始显微组织形貌12010图2缺口试样结构示意RO.
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