钛合金材料蠕变特性的理论与试验研究
王雷;屈平;李艳青;黄进浩;万正权
【摘 要】Titanium alloys, the critical material of deep-a engineering equipment, will produce different levels of creep deformations in deep-a environment. Experimental investigations of creep are developed in the aspect of macroscopic and macroscopic in allusion to the duplex microstructure and the basket-weave microstructure. The creep curves are plotted, and traditional Norton equation is modified bad on compres-sive creep tests of titanium alloys at multigroup stress levels. Critical stress of saturated creep and stress exponents are fitted bad on least square method while constitutive relation for creep in the stage of tran-sient creep and steady creep are prented. Simultaneously, bad on the methods of OM (optical micro-scope), XRD (X-Ray diffraction), TEM (transmission electron microscope) and SEM (scanning electron microscope),microscopic mechanism of compressive creep for the TC4 ELI titanium alloy is elaborated.%钛合金是深海工程装备的重要材料,在深海环境下会产生不同程度的蠕变变形.该文针对双态组织和网篮
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conversationexchange组织TC4 ELI钛合金材料,在宏观和微观两个方面开展钛合金蠕变试验研究.开展多组应力水平下的钛合金压缩蠕变试验,绘制蠕变曲线,对传统的Norton方程进行修正,基于最小二乘法拟合饱和蠕变临界应力值和蠕变应力指数,给出初始蠕变阶段和稳态阶段的蠕变本构关系.同时,基于OM(光学显微镜)、XRD(X射线衍射)、TEM(透射电镜)和SEM(扫描电镜)观察,给出TC4 ELI钛合金材料的压缩蠕变微观机理.
【期刊名称】《船舶力学》
【年(卷),期】2018(022)004
【总页数】11页(P464-474)
【关键词】蠕变;TC4ELI钛合金;蠕变曲线;蠕变本构关系;微观机理学
【作 者】王雷;屈平;李艳青;黄进浩;万正权
【作者单位】中国船舶科学研究中心,江苏 无锡214082;深海载人装备国家重点实验室,江苏 无锡214082;中国船舶科学研究中心,江苏 无锡214082;深海载人装备国家重点实验室,江苏
无锡214082;中国船舶科学研究中心,江苏 无锡214082;深海载人装备国家重点实验室,江苏 无锡214082;中国船舶科学研究中心,江苏 无锡214082;深海载人装备国家重点实验室,江苏 无锡214082;中国船舶科学研究中心,江苏 无锡214082;深海载人装备国家重点实验室,江苏 无锡214082
【正文语种】中 文
【中图分类】U661.43
0 引 言
深海潜水器、深海移动工作站、大潜深潜艇等深海工程装备呈现出工作深度大、作业压力高、服役环境复杂的特点，其耐压结构对材料的综合性能要求十分严格。钛合金不仅密度小、强度高、比强度大，而且具备良好的耐海水腐蚀性、焊接性能、透声性、无磁性等适用于深海环境的优点[1]。钛合金是深海工程装备的关键材料，是保障深海耐压结构安全性的重要支撑。
bingo儿歌钛合金在深海环境下会产生不同程度的蠕变变形[2]。与传统的塑性变形不同，蠕变在应力
小于屈服极限时也会出现[3-5]。目前，蠕变对耐压结构安全性的影响尚未形成明确的统一认识。因此，结合深海工作环境在不同应力水平下开展不同组织形式、长时间的系统性蠕变试验研究是极其必要的。
hyatt本文针对网篮组织和双态组织TC4 ELI钛合金材料，在宏观和微观两个方面开展钛合金蠕变试验研究。在多组应力水平下开展钛合金试样压缩蠕变试验，绘制蠕变曲线，拟合不同阶段的蠕变参数，给出蠕变本构关系。同时，基于OM、XRD和TEM微观组织观察，进行钛合金蠕变微观机理分析，明确不同应力水平的压缩蠕变机理。魔术贴英文
1 基本力学性能试验
为获取TC4 ELI钛合金的基本力学性能，进而为蠕变试验应力水平的选取提供参考，根据GB/T 228.1-2010和GB/T 7314-2005分别对本试验两种组织的TC4 ELI钛合金进行室温下拉伸和压缩力学性能测试。其中，拉伸试验选取两种组织各4根试样，压缩试验选取两种组织各2根试样，测试结果及平均值如表1、表2所示。
表1 TC4 ELI拉伸力学性能Tab.1 Mechanical properties for TC4 ELI in tension组织类型 试
样编号 直径D/mm弹性模量E/GPa最大力Fm/kN抗拉强度Rm/MPa规定非比例延伸强度Rp0.2/MPa伸长率A/%断面收缩率Z/%双态网篮Tension1-1 Tension1-2 Tension1-3 Tension1-4平均值Tension2-1 Tension2-2 Tension2-3 Tension2-4平均值5.015 5.010 5.000 5.000 5.006 5.010 5.005 5.010 5.010 5.009 121.6 121.5 121.3 119.6 121.0 123.0 122.7 121.9 122.8 122.6 19.24 19.26 19.14 19.10 19.19 19.71 19.76 19.74 19.69 19.70 973.9 977.2 974.9 967.7 973.4 1 000.0 1 004.2 1 001.2 998.6 1 001.0 905.0 900.3 903.4 892.5 900.3 929.8 928.9 926.0 925.8 927.6 17.4 17.6 16.0 18.2 17.3 15.5 17.8 16.5 15.6 16.4 46.7 42.5 45.8 48.2 45.8 33.0 36.1 32.4 34.3 34.0
表2 TC4 ELI压缩力学性能Tab.2 Mechanical properties for TC4 ELI in compression组织类型 试样编号 规定非比例压缩强度Rpc0.2/MPa抗压强度Rmc/MPa双态网篮Compression1-1 Compression1-2平均值Compression2-1 Compression2-2平均值991 994 992.5 1 002 1 005 1 003.5 1 791 1 801 1 796.0 1 810 1 823 1 816.5
图1 双态组织和网篮组织钛合金拉伸曲线Fig.1 Tensile curves of duplex and basket-weave microstructure of titanium alloy
图2 双态组织和网篮组织钛合金压缩曲线Fig.2 Compression curves of duplex and basket-weave microstructure of titanium alloy
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2 蠕变试验
纽伦2.1 蠕变试样
本次压缩蠕变试验选用的试样为网篮组织和双态组织的TC4 ELI钛合金，其中双态组织合金经780℃固熔处理1 h，空冷至室温。压缩蠕变试样尺寸如图3所示。
图3 钛合金压缩蠕变圆柱试样Fig.3 Titanium alloy specimen for creep tests in high pressure
福步外贸论坛网2.2 蠕变曲线
每种组织形式的压缩蠕变试验均选取5个应力水平：0.7Rpc0.2、0.8Rpc0.2、0.85Rpc0.2、0.9Rpc0.2和1.1Rpc0.2。记录试样蠕变应变随时间变化，选取前1 600 h的试验数据绘制两种组织形式的蠕变曲线，如图4、图5所示。
由蠕变曲线图可以看出，不同应力水平的蠕变曲线分为两个典型阶段。第一阶段为减速蠕变阶段，这一阶段蠕变曲线的斜率开始时很大，随着时间的延长渐趋平缓，蠕变应变率随着材料变形时间延长慢慢减小。第二阶段为稳态蠕变阶段，这一阶段蠕变速率是一个恒定值，随着时间延长应变恒定增加。
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2.3 蠕变特征参数
当应力水平较小时，钛合金的蠕变量和蠕变应变率都较低，蠕变处于减速蠕变阶段的时间也更长。尤其在0.7Rpc0.2应力水平时，蠕变只出现第一阶段。当应力水平增大时，第一阶段较短，钛合金的蠕变更快地从第一阶段过渡到第二阶段，并且稳态蠕变应变率也更快。根据材料蠕变过程的特点，一般用第二阶段的稳态蠕变速率来表征材料的蠕变性能。稳态蠕变应变率除了与应力水平、组织形式相关外，温度和晶粒尺寸等因素也有明显影响。
两种组织的TC4 ELI钛合金蠕变规律相似，以双态组织为例，分析稳态蠕变应变率变化情况。当应力水平高于0.8Rpc0.2时，TC4 ELI合金出现稳态蠕变阶段。在794 MPa下，双态组织TC4 ELI合金具有较低的蠕变应变率，为3.06×10-11s-1。当外加应力增加到893 MPa，蠕变应变率明显增大，为1.62×10-10s-1。当应力水平进一步提高到1 092 MPa，蠕
变应变率为4.05×10-10s-1，相比于794 MPa时提高了一个数量级。由此可见，TC4 ELI的蠕变应变率对应力有很强的敏感性。
ranks图4 双态组织TC4 ELI压缩蠕变曲线Fig.4 Creep curve for TC4 ELI of duplex microstructure
图5 网篮组织TC4 ELI压缩蠕变曲线Fig.5 Creep curve for TC4 ELI of basket-weave microstructure
在不同应力水平下提取两种组织的蠕变特征参数，包括1 600 h的蠕变应变和总应变、初始蠕变时间以及稳态蠕变应变率，具体数据如表3所示。在相同的应力水平下，相比于双态组织，网篮组织的蠕变变形量更小，蠕变应变率更低。
表3 TC4 ELI压缩蠕变特性对比Tab.3 Comparison of creep behaviors for TC4 ELI in compression稳态蠕变应变率/s-1—双态0.85 0.9 1.1 843 893 1 092 0.554 0.689 1.427 1.413 1.603 3.460 750 695 496 3.06×10-11 8.02×10-11 1.62×10-10 4.05×10-10
