李 榮, 李正佳, 蘇麗鳳, 許 陸, 武晶晶(西部金屬材料股份有限公司, 寶雞 721014)

利用蠕變?cè)囼?yàn)測(cè)試鈦合金高溫彈性模量

李 榮, 李正佳, 蘇麗鳳, 許 陸, 武晶晶
(西部金屬材料股份有限公司, 寶雞 721014)

由于鈦合金高溫彈性模量的測(cè)試比較困難，一般設(shè)計(jì)和使用中多以經(jīng)驗(yàn)和理論值作為依據(jù)，缺乏實(shí)際測(cè)試依據(jù)。對(duì)此，通過(guò)分析材料的彈性模量和蠕變?cè)囼?yàn)特點(diǎn)，提出利用蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)測(cè)試鈦合金高溫彈性模量的試驗(yàn)方法，并通過(guò)BT25和TC4兩種鈦合金棒材在不同溫度和應(yīng)力下的蠕變?cè)囼?yàn)測(cè)試其高溫彈性模量。結(jié)果表明：利用蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)測(cè)得的鈦合金高溫彈性模量數(shù)據(jù)集中，且相比通過(guò)拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)得的結(jié)果精度更高。

鈦合金；高溫彈性模量；蠕變?cè)囼?yàn)；應(yīng)力；應(yīng)變

近年來(lái)，伴隨著航空航天事業(yè)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)高溫合金的需求正日益增加，高溫鈦合金由于其比強(qiáng)度高的特點(diǎn)，在航空領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，尤其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)應(yīng)用高溫鈦合金可以減輕發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，提高燃油輸出功率，減小噪聲。

高溫彈性模量表示高溫金屬材料原子間結(jié)合力的程度，實(shí)際反應(yīng)了在屈服之前材料抵抗變形的能力，在工程應(yīng)用上有重要的作用。鈦合金作為航空航天領(lǐng)域中的重要結(jié)構(gòu)材料，其高溫下的各項(xiàng)性能是材料評(píng)估和使用的關(guān)鍵指標(biāo)。室溫下材料彈性模量的測(cè)試較為容易，而在高溫下，由于彈性滯后和蠕變行為，以及試驗(yàn)機(jī)精確度等因素的影響，一般的萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)不能或不容易準(zhǔn)確測(cè)試材料的高溫彈性模量。對(duì)此，筆者針對(duì)高溫下材料的變形特點(diǎn)及蠕變?cè)囼?yàn)的測(cè)試特點(diǎn)，對(duì)利用蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)測(cè)試鈦合金高溫彈性模量的方法進(jìn)行了探討。

1 試驗(yàn)原理與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原理

材料的彈性模量E主要取決于材料的晶格常數(shù)，一般情況下有：

E=k/

式中：k為材料常數(shù)；rm為晶格常數(shù)。

該公式體現(xiàn)了彈性模量主要表示原子離開平衡位置的難易程度，只取決于晶體原子結(jié)合的本性，不依晶粒大小以及組織變化而變，冷熱加工和塑性變形均不會(huì)改變材料的彈性模量。同時(shí)由于材料的彈性模量是溫度的敏感常數(shù)，因此只要在一定的溫度下，準(zhǔn)確測(cè)定試樣所加應(yīng)力及產(chǎn)生的相應(yīng)彈性應(yīng)變，就能依據(jù)彈性模量的定義求出材料在該溫度下的彈性模量[1-2]。

蠕變?cè)囼?yàn)主要是測(cè)定材料在一定溫度下和一定時(shí)間內(nèi)的塑性變形。在試驗(yàn)過(guò)程中，需要記錄試樣在一定應(yīng)力下的總變形和塑性變形，其中總變形由彈性變形和塑性變形兩部分組成。由于蠕變?cè)嚇拥拈L(zhǎng)度一定且變形較小，于是有[3]：

式中：εt為蠕變總應(yīng)變；εp為蠕變塑性應(yīng)變；εe為蠕變彈性應(yīng)變。

材料在蠕變?cè)囼?yàn)過(guò)程中溫度不會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生較小的塑性變形，只要保持試驗(yàn)力一段時(shí)間后就可以規(guī)避彈性滯后，則試樣所受的應(yīng)力與在該應(yīng)力下產(chǎn)生的應(yīng)變之比就是材料在該溫度下的彈性模量，即：

式中：σ為試樣加載應(yīng)力。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)控制

試驗(yàn)選擇RD2型高溫蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)，滿足試驗(yàn)力值精度在±0.5%，同軸度偏差小于5%。調(diào)節(jié)試樣上引伸計(jì)測(cè)量變形為40 μm時(shí)左右的偏差不大于1 μm。應(yīng)力在對(duì)應(yīng)溫度材料屈服強(qiáng)度的80%以下，選用TC4和BT25兩種鈦合金棒材進(jìn)行同溫度下、不同時(shí)間和應(yīng)力下的蠕變?cè)囼?yàn)。

1.2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

TC4鈦合金棒材在300 ℃和400 ℃時(shí)的屈服強(qiáng)度分別為610 MPa和573 MPa，選擇小于屈服強(qiáng)度的試驗(yàn)應(yīng)力和不規(guī)律的試驗(yàn)時(shí)間，其蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

BT25鈦合金方棒材在450 ℃和550 ℃時(shí)的屈服強(qiáng)度分別為565 MPa和523 MPa，選擇小于屈服強(qiáng)度的試驗(yàn)應(yīng)力進(jìn)行100 h蠕變?cè)囼?yàn)，其蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 300 ℃和400 ℃時(shí)TC4鈦合金棒材的蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果Tab.1 Creep test results of TC4 titanium alloy bars at 300 ℃ and 400 ℃

表2 450 ℃和550 ℃時(shí)BT25鈦合金方棒材的蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果Tab.2 Creep test results of BT25 titanium alloy rods at 450 ℃ and 550 ℃

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

依據(jù)YB/T 5350-2006《金屬材料高溫彈性模量測(cè)量方法 圓盤振子法》[4]測(cè)試TC4鈦合金棒材對(duì)應(yīng)溫度下的彈性模量ED。依據(jù)GB/T 228.2-2015《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第2部分：高溫試驗(yàn)方法》[5-6]，利用高溫引伸計(jì)測(cè)試BT25鈦合金棒材對(duì)應(yīng)溫度下的彈性模量EL。依據(jù)式(3)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算各溫度下兩種鈦合金棒材的彈性模量E、平均值EJ和標(biāo)準(zhǔn)差s。

2 分析與討論

TC4和BT25鈦合金棒材的蠕變數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表3～4所示。由結(jié)果可見(jiàn)，各組數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)差較小，即數(shù)值波動(dòng)較小，因此在通過(guò)蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)測(cè)試鈦合金的高溫彈性模量時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果不隨時(shí)間和所加應(yīng)力而發(fā)生變化，其各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明通過(guò)此方法可以測(cè)試鈦合金在高溫下的一個(gè)彈性常數(shù)。

如表3所示，TC4鈦合金在300 ℃和400 ℃的彈性模量ED分別為96 GPa和91 GPa，這與通過(guò)蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)測(cè)得的彈性模量平均值EJ的偏差為3.6%和3.7%，可見(jiàn)偏差較小。

如表4所示，BT25鈦合金在450 ℃和550 ℃下的彈性模量EL分別為94 GPa和83.5 GPa，均比通過(guò)蠕變法得到的數(shù)值要小。這是由于在高溫拉伸過(guò)程中，材料存在明顯的蠕變變形過(guò)程，即測(cè)得的彈性變形數(shù)據(jù)包含彈性變形和部分蠕變塑性變形，進(jìn)而引起彈性模量減小。因此推斷，利用蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)測(cè)得的鈦合金高溫彈性模量比利用拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)得的結(jié)果更接近真實(shí)值[7]。

表3 TC4鈦合金的蠕變數(shù)據(jù)處理結(jié)果Tab.3 Processing results of creep data of the TC4 titanium alloy

表4 BT25鈦合金的蠕變數(shù)據(jù)處理結(jié)果Tab.4 Processing results of creep data of the BT25 titanium alloy

3 結(jié)論

(1) 通過(guò)蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)測(cè)得的鈦合金高溫彈性模量數(shù)據(jù)集中，并能保證較高的精度。

(2) 由于蠕變行為的影響,利用拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)得的鈦合金高溫彈性模量結(jié)果偏小，精度較低。

[1] 劉智恩.材料科學(xué)基礎(chǔ)[M].2版.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[2] 鄭修麟.材料的力學(xué)性能[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社,2004.

[3] GB/T 2039-2012 金屬拉伸蠕變及持久試驗(yàn)方法[S].

[4] YB/T 5350-2006 金屬材料高溫彈性模量測(cè)量方法 圓盤振子法[S].

[5] GB/T 228.2-2015 金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第2部分：高溫試驗(yàn)方法[S].

[6] 《理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)》編輯部.GB/T 228.2-2015《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第2部分：高溫試驗(yàn)方法》簡(jiǎn)介[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2016,52(6):369-369.

[7] 張利軍，薛祥義，張晨輝,等.TC11鈦合金鍛件中疑似夾雜物缺陷成因分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2015,51(10):743-746.

Measurement of High-temperature Elastic Modulus of Titanium Alloys by Creep Tests

LI Rong, LI Zheng-jia, SU Li-feng, XU Lu, WU Jing-jing
(Western Metal Materials Co., Ltd., Baoji 721014, China)

Due to the difficulty in measuring the elastic modulus of titanium alloy at high temperature, it is usually based on empirical and theoretical values in the design and application. Based on the analysis of the elastic modulus and creep test characteristics of materials, a test method for measuring the high-temperature elastic modulus of titanium alloys by the creep testing machine was put forward. Through creep test data of two kinds of BT25 and TC4 titanium alloys under different temperature and stress, the high-temperature elastic modulus was obtained. The results show that: the data of high-temperature elastic modulus of titanium alloys obtained by the creep testing machine were concentrated, and the precision was better compared with those of the results obtained by tensile testing machines.

titanium alloy; high-temperature elastic modulus; creep test; stress; strain

2016-07-12

李 榮(1984-)，男，工程師，從事稀有金屬檢測(cè)及工藝評(píng)估，273647279@qq.com。

10.11973/lhjy-wl201703008

TG115.5+7

A

1001-4012(2017)03-0182-03