一種tc18鈦合金網(wǎng)籃組織斷裂韌性預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及材料領(lǐng)域，具體是一種可有效預(yù)測鈦合金斷裂韌性的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 自二十世紀(jì)四十年代開始，由于客機(jī)的頻繁失事，航空器結(jié)構(gòu)件由單純靜強(qiáng)度設(shè) 計(jì)概念轉(zhuǎn)變到安全一壽命設(shè)計(jì)概念、破損一安全設(shè)計(jì)概念，直至現(xiàn)代的損傷容限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。 在損傷容限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中，斷裂韌性是一項(xiàng)重要指標(biāo)，它表征了材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力，因 此保證航空結(jié)構(gòu)件的斷裂韌性對其安全飛行至關(guān)重要。由于斷裂韌性的重要性，國內(nèi)外學(xué) 者一直在嘗試建立材料的斷裂韌性預(yù)測方法。國外在斷裂韌性的預(yù)測方面已經(jīng)做了很多工 作。1964年，Krafft在期刊Applied Materials and Research上發(fā)表了一篇名為"Crack Toughness and Strain Hardening of Steels"文章，開創(chuàng)性地建立了低強(qiáng)度、中強(qiáng)度和高 強(qiáng)度鋼的平面應(yīng)變斷裂韌性與應(yīng)變硬化指數(shù)的關(guān)系。Gokhale等人在期刊Metallurgical and Materials Transactions A上發(fā)表了一篇名為"Relationship Between Fracture Toughness , Fracture Path , and Microstructure of 7050Aluminum Alloy:Part II .Multiple Micromechanisms-based Fracture Toughness Model" 的文章，基于微觀斷 裂機(jī)制建立了 7050錯(cuò)合金斷裂韌性與斷口形貌的定量關(guān)系。Baron在期刊Strength of Materials上發(fā)表了 一篇名為 "Relationship between fracture toughness and deformation ahead of the crack tip"的文章，建立了15Kh2NMFA鋼斷口延伸帶尺寸同斷 裂韌性的定量關(guān)系，預(yù)測結(jié)果較好。需要注意的是，由于不同合金斷裂機(jī)制不同，相同合金 不同組織的斷裂機(jī)制也有差異，因此上述預(yù)測模型應(yīng)用范圍有限。
[0003] 鈦及鈦合金因具有密度低、比強(qiáng)度高、耐蝕性好等優(yōu)良性能而被廣泛應(yīng)用于航空 等領(lǐng)域。眾所周知，鈦合金斷裂韌性對顯微組織特別敏感，然而，國內(nèi)外對鈦合金不同顯微 組織特征下斷裂韌性變化規(guī)律的描述僅僅停留在定性范疇，并沒有建立起適用于鈦合金不 同組織的斷裂韌性定量預(yù)測方法及相應(yīng)規(guī)范。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為克服現(xiàn)有技術(shù)中尚無適用于鈦合金不同組織的斷裂韌性定量預(yù)測方法及相應(yīng) 規(guī)范的不足，本發(fā)明提出了一種TC18鈦合金網(wǎng)籃組織斷裂韌性預(yù)測方法。
[0005] 本發(fā)明的具體過程是：
[0006] 步驟1，斷裂韌性預(yù)測模型的推導(dǎo)。
[0007] 通過公式(6)推導(dǎo)斷裂韌性預(yù)測模型
[0008]
(6)
[0009]其中，Κκ為斷裂韌性，為合金的均勻延伸率，即拉伸試樣在頸縮前的延伸率， 和〇\分別是抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度;E為彈性模量，L(e)是裂紋擴(kuò)展路徑的真實(shí)長度，L〇(e)是 裂紋擴(kuò)展路徑沿?cái)嗔秧g性試樣開口方向的投影長度，v為泊松比。
[0010] 步驟2，TC18鈦合金斷裂韌性預(yù)測及實(shí)施方法。采用公式(6)對TC18鈦合金的四種 組織形態(tài)分別進(jìn)行斷裂韌性的預(yù)測，四種組織分別命名為A，B，C，D。
[0011] 要預(yù)測TC18鈦合金各組織的斷裂韌性，必須分別獲得TC18鈦合金各組織的力學(xué)性 能參數(shù)和裂紋擴(kuò)展路徑曲折度L( ε) /Lo，具體流程為：
[0012] I力學(xué)性能參數(shù)的獲取。力學(xué)性能參數(shù)包括拉伸性能和斷裂韌性。拉伸性能參數(shù)有 屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、均勻延伸率、彈性模量以及泊松比。給定組織下切取三個(gè)拉伸性能試 樣和一個(gè)斷裂韌性試樣。
[0013] 所述拉伸性能試樣的尺寸及測試方法依據(jù)GB/T 228.1-2010進(jìn)行。斷裂韌性試樣 的尺寸及測試方法則嚴(yán)格按照國標(biāo)GB/T4161-2007進(jìn)行。屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、均勻延伸率、 彈性模量各參量均為某個(gè)組織下TC18鈦合金所測拉伸結(jié)果的求和平均值。
[0014] 所述彈性模量為1 lOGPa，泊松比為0.35。
[0015] Π 裂紋擴(kuò)展路徑曲折度L(e)/Lo的獲取。通過破壞后的鈦合金斷裂韌性試樣側(cè)面 金相，獲得裂紋擴(kuò)展路徑，并在所述裂紋擴(kuò)展路徑上隨機(jī)選取五個(gè)視場，各視場的寬度不低 于200μπι。具體是，首先需要磨制破壞后的鈦合金斷裂韌性試樣側(cè)面金相，并采用光學(xué)顯微 鏡進(jìn)行拍照觀察，以獲得裂紋擴(kuò)展路徑。
[0016] 對得到的各視場中的L(e)/Lo進(jìn)行計(jì)算的過程:通過圖像處理軟件進(jìn)行二值化、腐 蝕膨脹及開閉運(yùn)算處理，得到清晰的裂紋擴(kuò)展路徑。采用divider method方法統(tǒng)計(jì)視場內(nèi) 的真實(shí)裂紋長度L(e)。為了保證準(zhǔn)確性，碼尺長度取ΙΟμπι。裂紋投影長度Lo通過視場中的比 例尺得到。計(jì)算L(〇/Lo,得到某一視場下的裂紋擴(kuò)展路徑曲折度。
[0017] 按照以上所述步驟對給定組織下TC18鈦合金其余4個(gè)視場的L(〇/Lo分別進(jìn)行計(jì) 算，最后對5個(gè)視場的L(〇/L〇值求和取平均值，即為給定組織下TC18鈦合金裂紋擴(kuò)展路徑 曲折度。
[0018] 重復(fù)所述過程，直至獲得A，B，C，D四種組織的力學(xué)性能參數(shù)和裂紋擴(kuò)展路徑曲折 度。
[0019] 步驟3，TC18鈦合金斷裂韌性預(yù)測方法有效性驗(yàn)證。將步驟2中所獲得的拉伸性能 參數(shù)及裂紋擴(kuò)展路徑曲折度L(e)/L〇代入公式(6)，能夠算得某一給定組織下TC18鈦合金的 斷裂韌性值。根據(jù)步驟1和2分別A，B，C，D四種組織形態(tài)下TC18鈦合金斷裂韌性。最終將四種 組織形態(tài)下TC18鈦合金斷裂韌性實(shí)測值與預(yù)測值對比。對比發(fā)現(xiàn)，公式(6)能夠很好的預(yù)測 TC18鈦合金的斷裂韌性，最大誤差不超過8%。
[0020] 本發(fā)明通過綜合考慮本征斷裂抗力和外在斷裂抗力對鈦合金斷裂韌性的影響，建 立了基于鈦合金拉伸性能和裂紋擴(kuò)展路徑的斷裂韌性預(yù)測模型，并且制訂了利用該模型進(jìn) 行鈦合金斷裂韌性預(yù)測的具體實(shí)施規(guī)范。本發(fā)明中，獲得鈦合金裂紋擴(kuò)展路徑曲折度是對 其進(jìn)行斷裂韌性預(yù)測的重要環(huán)節(jié)，附圖1所示即為斷裂韌性試樣裂紋擴(kuò)展路徑示意圖。在實(shí) 施例1中，本發(fā)明詳細(xì)介紹了獲取TC18鈦合金裂紋擴(kuò)展路徑曲折度的方法，附圖2和附圖3所 示即為TC18鈦合金裂紋擴(kuò)展路徑的提取流程。基于本發(fā)明，TC18鈦合金斷裂韌性被成功預(yù) 測，預(yù)測誤差在8%以內(nèi)?；诒景l(fā)明，TC17鈦合金斷裂韌性被成功預(yù)測，預(yù)測誤差在8%以 內(nèi)。綜上所述，本發(fā)明可有效預(yù)測給定鈦合金的斷裂韌性。
[0021] 本發(fā)明適用于任意種類和任意組織的鈦合金。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明中裂紋擴(kuò)展路徑示意圖。其中：1.裂紋擴(kuò)展路徑;2.斷裂韌性試樣斷 裂面。
[0023]圖2是本發(fā)明中TC18鈦合金四種組織的裂紋擴(kuò)展路徑；其中：圖2a是組織A的裂紋 擴(kuò)展路徑，圖2b是組織B的裂紋擴(kuò)展路徑，圖2c組織C的裂紋擴(kuò)展路徑，圖2d是組織D的裂紋 擴(kuò)展路徑。
[0024]圖3是本發(fā)明中TC18鈦合金四種組織清晰化處理后的裂紋擴(kuò)展路徑;其中：圖3a是 組織A的裂紋擴(kuò)展路徑，圖3b是組織B的裂紋擴(kuò)展路徑，圖3c組織C的裂紋擴(kuò)展路徑，圖3d是 組織D的裂紋擴(kuò)展路徑。
[0025]圖4是本發(fā)明的流程圖。
【具體實(shí)施方式】 [0026] 實(shí)施例1:
[0027]本實(shí)施例是一種TC18鈦合金網(wǎng)籃組織斷裂韌性預(yù)測方法。本實(shí)施例的具體過程 是：
[0028]步驟1，斷裂韌性預(yù)測模型的推導(dǎo)。
[0029]根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)理論，斷裂韌性由下式表示：
[0030]
(1)
[0031 ]式中Κκ為斷裂韌性，Gk為臨界應(yīng)變能釋放率，E為彈性模量，v為泊松比。
[0032] 在小范圍屈服條件下，公式(1)中的臨界應(yīng)變能釋放率GIC可由下式表示：
[0033] Gic = 2yeff (2)
[0034] γ 代表有效表面能，是裂紋向前擴(kuò)展的阻力。
[0035] 1998年，Charkaluk等人在Engineering Fracture Mechanics上發(fā)表了名為 "Fracta 1 s and Fracture"的文章，認(rèn)為臨界應(yīng)變能釋放率Gk中僅考慮了有效表面能的影 響，而裂紋擴(kuò)展路徑的影響卻并未考慮。根據(jù)研究，在公式(2)中納入放大系數(shù)L( e)/Lo,從