陳振亞 沈興全 楊承昌 陳 薇

(①中北大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，山西 太原 030051;②上海梅山鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210039;③上海寶鋼化工有限公司梅山分公司，江蘇 南京 210039)

TI-6AI-4V 具有耐蝕性好、適中的塑性、比強(qiáng)度高及優(yōu)異的抗疲勞能力等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、航海、航天行業(yè)，但TI-6AI -4V 導(dǎo)熱系數(shù)小、化學(xué)活性大、彈性模量小，使得其加工性能較差，主要表現(xiàn)為變形系數(shù)小、切削溫度高、單位面積切削力大，易造成裂紋缺陷［1］。因此檢測TI -6AI -4V 的裂紋缺陷，分析缺陷產(chǎn)生原因，提出預(yù)防缺陷方法，對改善TI -6AI -4V 已加工表面質(zhì)量、使用性能及壽命有重要意義［2］。

國內(nèi)外學(xué)者對TI-6AI-4V 裂紋缺陷及其檢測方法進(jìn)行了有益的探索。Che -Haron 等以車削的加工方式對TI-6AI-4V 表面質(zhì)量與切削用量之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，但對表面的殘余應(yīng)力沒有涉及［3］。楊振朝和杜隨更等對TI-6AI-4V 的端銑加工表面質(zhì)量進(jìn)行了基礎(chǔ)研究，但沒有研究顯微硬度的變化［4］。常規(guī)檢測裂紋缺陷的方法有磁粉檢測、渦流檢測、射線檢測、超聲檢測等，對于TI -6AI -4V 缺陷的檢測，熒光滲透檢測因高靈敏度、現(xiàn)象直觀等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用［5］。TI-6AI-4V 在實(shí)際加工過程中產(chǎn)生的裂紋缺陷，熒光滲透檢測后的圖像見圖1。本文對熒光浸透檢測做了理論分析和試驗(yàn)研究;探討了TI -6AI -4V裂紋缺陷的產(chǎn)生原因，模擬了切削力對應(yīng)力的作用，同時(shí)試驗(yàn)切削用量對裂紋缺陷的影響，對TI -6AI -4V裂紋缺陷的檢測和預(yù)防有指導(dǎo)意義。

1 滲透檢測TI-6AI-4V 裂紋缺陷

如圖2 所示，熒光劑在TI -6AI -4V 表面滲透過程中，氣-液-固3 種界面張力相平衡［6］:

式中:γL為液-氣界面間使液滴整體收縮的界面張力;γSG為固-氣界面間使液滴表面鋪開的界面張力;γSL為固-液界面間使液滴表面收縮的界面張力。

鋪展系數(shù)SSL為:

三重界面上液體的最后位置y 可通過能量對表面元素ds 求變分得到，即:

式中:S 為缺陷內(nèi)液-氣-固界面的周界面積;p 為氣體被擠入缺陷的最后壓力;x 為X 方向上尖端界面的寬度;y 為三重界面沿裂縫長度運(yùn)動的位置。

氣體壓力的變化等于在三重界面的最后位置處的毛細(xì)管作用的壓強(qiáng)pc，即:

把式(1)、(4)代入式(3)，得:

臨界缺陷寬度:

令ds/dy=k，k 為常數(shù)，依賴于缺陷輪廓。極限缺陷尺寸范圍:

式中:dc為臨界缺陷尺度。

若cosθ=1，則

缺陷內(nèi)滲透液面高度［7］:

式中:h 為滲透液的滲入深度;b 為缺陷深度;α 為液體表面張力系數(shù)。代入式(8)得最小深入深度:

2 熒光滲透檢測技術(shù)

2.1 熒光滲透檢測工藝

熒光滲透是檢測非疏孔性金屬和非金屬試件裂紋缺陷的一種無損檢測方法［9］，TI -6AI -4V 熒光滲透檢測工藝見圖3。首先，清洗、干燥表面，后將其浸泡在滲透劑中，由于毛細(xì)作用，滲透劑會滲入裂紋缺陷;隨后，清洗表面滲透劑，經(jīng)乳化、漂洗及干燥，缺陷中的滲透劑會回滲到表面;最后，在紫外燈下，可對TI -6AI-4V 裂紋缺陷作出判斷［10］。

2.2 熒光滲透檢測試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)備:YGST -800 型熒光滲透檢測裝置1臺、后乳化型滲透劑1 瓶、Z-125W 黑光燈1 臺，10 個(gè)有裂紋缺陷的TI-6AI-4V 試件，見圖4。

試驗(yàn)條件:選用后乳化型滲透劑，因其檢測靈敏度高;滲透劑和環(huán)境的溫度控制在10～40 ℃，滲透時(shí)間不少于10 min，浸沒時(shí)間不大于總滲透時(shí)間的一半;乳化時(shí)間不大于2 min;顯像檢驗(yàn)在暗室進(jìn)行，熒光燈在試件表面的輻照度應(yīng)不低于1000 μW/cm2，環(huán)境白光照度應(yīng)不大于20 lx，顯像時(shí)間為10～30 min［11］。

經(jīng)檢驗(yàn)10 個(gè)試件的裂紋缺陷均位于下端面結(jié)構(gòu)表面曲率劇烈變化處，均為局部圓形紋路狀的細(xì)小紋理，直徑約為10 mm，見圖5。可知試件結(jié)構(gòu)表面曲率變化較大處易于萌生裂紋缺陷。

3 TI-6AI-4V 裂紋缺陷產(chǎn)生原因分析

TI-6AI-4V 在生產(chǎn)過程中，由于塑性加工(包括鍛造、軋制、擠壓、拉拔等)、熱處理和機(jī)械加工等操作不當(dāng)，都會造成裂紋缺陷［12］。從裂紋缺陷產(chǎn)生原因上可分為毛坯本身缺陷和應(yīng)力集中造成缺陷兩種情況，見圖6。

3.1 毛坯本身存在缺陷

對于TI -6AI -4V 試件毛坯本身缺陷采用EPOCH4 超聲波探傷儀，配有雙晶F25 探頭，用油浸法探傷，見圖7。探傷結(jié)果顯示，所有毛坯均沒有缺陷。

3.2 應(yīng)力過大形成裂紋缺陷

TI-6AI-4V 試件結(jié)構(gòu)表面曲率劇烈變化造成局部應(yīng)力集中，加工時(shí)切削力過大，材料表層屬性發(fā)生變化，形成裂紋缺陷［13］;機(jī)床振動時(shí)，切削力大幅變化，試件受到巨大的沖擊，表層發(fā)生加工硬化，造成裂紋缺陷;使用磨損、破損刀具加工試件時(shí)，增大的刀具作用力會在試件表面劃出劃痕，產(chǎn)生裂紋缺陷;切削用量選擇不合理，會造成試件局部受力、受扭狀態(tài)發(fā)生變化，造成應(yīng)力集中，出現(xiàn)裂紋缺陷［14］。

4 TI-6AI-4V 裂紋缺陷模擬與試驗(yàn)分析

4.1 TI-6AI-4V 有限元模擬研究

通過有限元模擬TI-6AI-4V 試件在切削狀態(tài)下的約束與受力情況，加工過程中，使用的硬質(zhì)合金刀具及模擬應(yīng)力分布圖，見圖8。過程中未考慮實(shí)際刀具磨損情況及機(jī)床振動造成的影響。對試件頭部上下端面施加位移約束，在試件尾部施加200 N 的集中載荷，模擬切削深度較大情況下的切削力，方向與位置，見圖8。通過有限元仿真分析，得到表面應(yīng)力的分布情況，兩端面交接處即曲率顯著變化處應(yīng)力為531.09 MPa，存在明顯的應(yīng)力集中，易于引發(fā)裂紋缺陷。

4.2 TI-6AI-4V 裂紋缺陷試驗(yàn)分析

4.2.1 不同切削用量下TI-6AI-4V 表面形態(tài)

切削用量包括:切削深度、進(jìn)給量及切削速度。利用定量試驗(yàn)法，采用高倍井深式數(shù)碼顯微鏡VHX -600ESO 對試件表面進(jìn)行觀察，觀察設(shè)備見圖9。首先固定進(jìn)給量不變、切削速度為1500 r/min，在不同切削深度0.1 mm、0.5 mm、1 mm和2 mm下進(jìn)行加工，對加工后TI-6AI-4V 試件的表面情況進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)不同切削深度情況下，試件表面有不同的紋理，見圖10。隨著切削深度不斷變大，表面刀痕逐漸加深，相同區(qū)域的表面紋理凸凹數(shù)量變少，凸凹處應(yīng)力集中加大，引發(fā)裂紋缺陷。當(dāng)固定切削深度不變，調(diào)節(jié)進(jìn)給量和切削速度時(shí)，發(fā)現(xiàn)進(jìn)給量對缺陷的影響大于切削速度的影響。

4.2.2 不同放大倍數(shù)下TI -6AI -4V 試件的裂紋缺陷形態(tài)

圖5 中Ⅱ處為試件的裂紋缺陷，利用高倍井深式數(shù)碼顯微鏡VHX -600ESO 設(shè)備在20 倍、50 倍、100倍及500 倍的放大情況下拍攝的圖片見圖11?？芍嚰鸭y缺陷呈細(xì)小的長條狀，與切削刀痕呈約90°垂直排布，這是切削過程中材料變形，產(chǎn)生應(yīng)力集中造成的裂紋缺陷現(xiàn)象;同時(shí)圖11d 中材料呈撕裂狀，說明切削過程中發(fā)生了粘刀的現(xiàn)象［15］。

5 結(jié)語

的裂紋缺陷，TI -6AI -4V 試件結(jié)構(gòu)表面曲率變化過大處存在明顯的應(yīng)力集中，易于產(chǎn)生裂紋缺陷。

(2)切削用量不合理造成切削力過大，尤其切削深度過大會影響TI-6AI-4V 試件表面的受力及受扭狀態(tài)，引起裂紋缺陷;TI -6AI -4V 試件結(jié)構(gòu)表面曲率變化較大處，由于應(yīng)力集中也會造成裂紋缺陷。

(3)機(jī)加過程中，為避免TI -6AI -4V 試件產(chǎn)生裂紋缺陷應(yīng)該先考慮選擇合理的切削用量;切削深度對TI-6AI-4V 表面結(jié)構(gòu)的影響最大，其次是進(jìn)給量，最后是切削速度。

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