钛合金因具有密度低、比强度高、耐蚀性好、导热系数小、无毒无磁性等特征，，，，，普遍应用于飞机和飞机发念头结构，，，，，可是，，，，，飞机运行情形很是重大，，，，，其结构需要经受较严酷的高温情形和疲劳载荷，，，，，容易造成疲劳失效进而引发灾难性效果，，，，，其高温疲劳裂纹扩展性能受到极大关注[1]，，，，，为此，，，，，海内外开展了大宗的航空金属质料的高温裂纹扩展性能方面的研究。。。。。。。吴欢等[2]通过试验研究了高温对Ti40裂纹扩展性能的影响，，，，，效果批注，，，，，随着温度的升高，，，，，质料的裂纹扩展速率增添。。。。。。。Ding等[3]试验研究了高温对Ti-6Al-4V疲劳门槛值的影响，，，，，效果批注，，，，，高温加速了裂纹扩展的历程，，，，，但对裂纹扩展门槛值并无显着影响。。。。。。。ＺＨＡＮＧAlｉ等[4]、彭小娜等[5]、Ｐｉｌｃｈａｋ等[6]划分对Ti60Ａ、TC4-DT、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si举行了疲劳断口剖析，，，，，研究了高温情形对裂纹扩展历程的影响及其微观机制，，，，，效果批注，，，，，裂纹萌生于晶界、微孔等位置，，，，，随着温度的升高，，，，，裂纹扩展断面外貌粗糙度增添，，，，，甚至会引起断裂模式从韧性微孔特征向晶界脆性特征转变。。。。。。。然而，，，，，黄新跃等[7]、Ｐｒａｓａｄ等[8]、Ｍｅｒｃｅｒ等[9]划分对TC11、TiｍｅｔAl834、钛铝合金举行的高温裂纹扩展研究批注，，，，，裂纹扩展速率纷歧定随着温度的升高而增添，，，，，甚至泛起交织与反转征象，，，，，可见温度对金属质料疲劳裂纹扩展性能的影响相当重大。。。。。。。别的，，，，，金属质料的疲劳裂纹扩展性能还受到频率[10-11]、应力比[12-13]、组织形态[14-15]、热处置惩罚状态[16]、侵蚀情形[17-18]等多种因素的影响。。。。。。。由此可见，，，，，高温与载荷联相助用对裂纹扩展性能及损伤机理的影响尚待进一步熟悉。。。。。。。
为此，，，，，本文以4种典范钛合金质料TC18、TC21、TC4-DT和Ti-6Al-4V/ELI作为研究工具，，，，，举行了室温（25℃）和高温（250℃）下的恒幅裂纹扩展试验，，，，，通过试验数据比照和断口SEM剖析，，，，，研究了高温对航空钛合金质料疲劳裂纹扩展性能的影响机制，，，，，为工程应用提供参考。。。。。。。
1、裂纹扩展试验
为了测定航空钛合金质料的裂纹扩展性能，，，，，制备了4种钛合金质料（TC18、TC21、TC4-DT、6Al-4V/ELI）的标准Ｍ（Ｔ）试样，，，，，试样取向与加载偏向一致，，，，，质料的性能如表1所示（式中Ｅ为弹性模量，，，，，σｂ为强度极限，，，，，σｓ为屈服极限，，，，，δ为延伸率），，，，，其几何形状和设计尺寸如图1所示，，，，，其中长为300mm，，，，，宽为75mm，，，，，厚为5mm，，，，，两头各有4个直径为15mm的加载孔和1个直径为14mm的定位孔，，，，，中心处有1个直径为2mm的孔，，，，，孔的两侧通过线切割加工出长度为8mm的初始切口，，，，，并做外貌抛光处置惩罚。。。。。。。
凭证美国质料与实验协会（ASTM）标准试验要领[19]，，，，，裂纹扩展试验在ＭＴＳ-880-100ｋＮ疲劳试验机上举行（如图2所示），，，，，试验接纳恒幅加载要领，，，，，应力比Ｒ＝-1，，，，，加载波形为正弦波，，，，，加载频率为ｆ＝10Ｈｚ。。。。。。。试验温度划分为室温25℃和高温250℃，，，，，高温由ＳＤＧＤＹＤ-180/＋350崎岖温情形试验箱（温度波动不凌驾2℃）控制。。。。。。。试验历程中，，，，，接纳ＷＺＨＤ0850裂纹丈量系统（丈量精度为0.01mm）视察裂纹长度。。。。。。。
在试样夹持好后，，，，，对情形箱升温，，，，，抵达试验指定温度。。。。。。。在保温30min之后，，，，，最先举行裂纹扩展试验，，，，，使用较大载荷，，，，，预制裂纹长度为1～2mm，，，，，然后，，，，，逐级降载直至裂纹扩展速率抵达10-5mm/ｃｙｃｌｅ左右，，，，，纪录试验载荷，，，，，然后，，，，，坚持该载荷继续举行试验，，，，，裂纹长度每增添0.3～0.5mm，，，，，停唬；；； ；；闪苛盐评┱钩ざ龋峒捌湎煊ρ反问，，，，，直至试样最终断裂。。。。。。。试验效果如图3所示，，，，，图中aav体现ａ的平均值，，，，，从图3中可以看出，，，，，随着循环次数Ｎ的增添，，，，，试样的裂纹扩展长度一直增添，，，，，同时，，，，，裂纹扩展曲线的斜率越来越大，，，，，说明裂纹扩展速率越来越快。。。。。。。
2、断口SEM剖析
为了探讨温度和载荷对航空钛合金质料裂纹扩展历程微观机制的影响，，，，，在裂纹扩展试验完成后，，，，，从裂纹扩展试样上切得断口纵切片（如图4所示），，，，，并使用JSM-6010LA型扫描电镜对断口形貌举行视察并纪录，，，，，展现其失效模式和损伤机理（如图5所示）。。。。。。。
从图4中可以看出，，，，，温度的改变对钛合金质料的外貌颜色的转变有很大影响，，，，，250℃下4种钛合金裂纹扩展断口均泛起浅黄色。。。。。。。钛合金在温度小于500℃时，，，，，合金外貌的钛与空气中的氧容易爆发化学反应，，，，，天生一层稳固的氧化物附着在裂纹外貌，，，，，可以阻止氧向基体内部的扩散，，，，，从而，，，，，阻止钛的进一步氧化。。。。。。。凭证钛合金外貌氧化色，，，，，可以判断其氧化水平，，，，，氧化色逐渐变淡展现了裂纹扩展的大致路径[20]。。。。。。。
从图5中可以看出，，，，，相同情形下，，，，，4种钛合金质料裂纹稳固扩展阶段的断口形貌并没有实质差别：①室温情形下4种钛合金的疲劳条带均泛起显着的晶体学特征，，，，，这是由于室温下质料的脆性较量显着，，，，，晶界处位错阻力较大，，，，，裂纹沿着尖端周围差别的晶面扩展，，，，，平直的疲劳条带被台阶切割，，，，，天生大宗的具有破碎小刻面的晶体学特征（见图5（ａ）、图5（ｂ）、图5（ｃ）和图5（ｄ））；；；；； ；；②随着温度的升高，，，，，4种钛合金质料的韧性均获得增强，，，，，同时裂纹外貌被空气氧化，，，，，天生的氧化产品附着在断口外貌，，，，，使得疲劳条带的脉络扁平模糊（见图5（ｅ）、图5（ｆ）、图5（ｇ）和图5（ｈ））；；；；； ；；③高温情形下，，，，，晶界处的高温氧化作用使得晶界脆化，，，，，削弱了却协力，，，，，加速了裂纹形核，，，，，增进滑移的爆发，，，，，加速裂纹扩展的历程[21]，，，，，而随着温度的升高，，，，，质料的晶粒取向越发不规则，，，，，由于裂纹尖端较强的应力集中作用，，，，，高温下大宗二次裂纹泛起且疲劳条带短促不一连（见图5（ｅ）、图5（ｆ）、图5（ｇ）和图5（ｈ）），，，，，这使得断面外貌粗糙度增添，，，，，二次裂纹的分支作用释放了裂纹尖端的能量，，，，，有助于提高韧性，，，，，强化了裂纹闭合效应，，，，，进而有利于减缓裂纹扩展速率，，，，，这与文献[22]的研究效果相吻合。。。。。。。
3、数据剖析与讨论
凭证ASTM试验要领[19]，，，，，接纳割线法，，，，，盘算如图3所示的ａ-Ｎ曲线上相邻两个数据点的直线斜率（ｄａ/ｄＮ）ｉ及响应的应力强度因子幅值ΔＫｉ，，，，，即
式中ΔＰｉ为载荷幅值；；；；； ；；Ｂ为试验件厚度；；；；； ；；Ｗ为试样宽度；；；；； ；；α为思量有限板宽的修正系数α＝2ａ/Ｗ。。。。。。。使用式（1）和式（2），，，，，盘算获得的[ΔＫｉ，，，，，（ｄａ/ｄＮ）ｉ]数据如图6所示。。。。。。。接纳Ｐａｒｉｓ公式，，，，，对[ΔＫｉ，，，，，（ｄａ/ｄＮ）ｉ]数据举行拟合，，，，，即
式中Ｃ和ｍ均为质料常数；；；；； ；；ΔＫ为应力强度因子变程。。。。。。。使用式（3），，，，，盘算获得拟合直线的系数Ｃ和ｍ的值及标准差σ如表2所示，，，，，拟合曲线如图6所示，，，，，从表2和图6可以看出，，，，，Ｐａｒｉｓ公式拟合精度优异，，，，，反应裂纹扩展数据遵照Ｐａｒｉｓ模子。。。。。。。
凭证表2中拟合获得的Ｃ和ｍ值，，，，，可以获得高温相关于室温的Ｃ和ｍ转变率，，，，，即
式中Ｃｔ和ｍｔ划分为高温250℃下的Ｃ和ｍ值；；；；； ；；Ｃｒｔ和ｍｒｔ划分为室温25℃下的Ｃ和ｍ值。。。。。。。使用式（4）和式（5），，，，，盘算获得质料参数的转变率γＣ和γｍ如表3所示。。。。。。。
从图6和表2、表3的处置惩罚效果可以看出：
①在裂纹稳固扩展区（1×10-5～1×10-3mm/ｃｙｃｌｅ）规模内，，，，，裂纹扩展速率ｄａ/ｄＮ均随着应力强度因子幅值ΔＫ的增添而加速，，，，，数据点[ΔＫｉ，，，，，（ｄａ/ｄＮ）ｉ]在双对数坐标下与拟合曲线的相关系数值均在0.9以上（见表2），，，，，泛起出优异的线性拟合关系，，，，，这说明钛合金质料在高温下ｄａ/ｄＮ与ΔＫ之间仍然听从Ｐａｒｉｓ公式纪律，，，，，使用该公式可以较好的表征钛合金质料的高温裂纹扩展性能；；；；； ；；②相同应力强度因子幅值ΔＫ下，，，，，差别温度下差别质料裂纹扩展速率之间保存很大的差别性，，，，，说明高温对证料的疲劳裂纹扩展性能的影响很重大，，，，，其中，，，，，TC18钛合金250℃下的裂纹扩展速率略快于室温下（见图6（ａ）），，，，，两种温度下的Ｃ和ｍ相差不大，，，，，温度的转变对该质料的裂纹扩展性能影响不大；；；；； ；；TC21钛合金250℃下的裂纹扩展速率显着慢于室温下（见图6（ｂ）），，，，，室温下的Ｃ值基本是高温下的10倍，，，，，两者相差一个数目级，，，，，ｍ值随着温度的升高而变大；；；；； ；；TC4-DT钛合金在低ΔＫ下，，，，，250℃下的裂纹扩展速率慢于室温条件下，，，，，而在高ΔＫ下，，，，，情形恰恰相反，，，，，即保存一个转捩的应力强度因子幅值，，，，，该值约为50ＭＰａ·ｍ0.5（见图6（ｃ）），，，，，室温下的Ｃ值基本是高温下的数倍，，，，，两者相差约半个数目级，，，，，ｍ值随着温度的升高而稍变大，，，，，经盘算可得相交的ΔＫ＝50.47ＭＰａ·ｍ0.5，，，，，与视察效果相符；；；；； ；；Ti-6Al-4Ｖ/ＥＬＩ钛合金250℃下的裂纹扩展速率要慢于室温下（见图6（ｄ）），，，，，室温下的Ｃ值基本是高温下的约2倍，，，，，ｍ值随着温度的升高而稍变大；；；；； ；；③裂纹扩展阻力系数Ｃ在1.41×10-8和9.65×10-12之间转变（见表2），，，，，与室温相比，，，，，高温系数Ｃ的对数值中TC18降低2.2％，，，，，另外3种质料增大3.2％～11.2％，，，，，而裂纹扩展指数ｍ值在2.49～4.27之间转变，，，，，与室温相比，，，，，TC18的系数ｍ减小5.3％，，，，，其他质料增添3.4％～16.5％（见表3），，，，，这充辩白明温度对差别钛合金质料的疲劳裂纹扩展性能的影响效果不尽相同，，，，，甚至泛起交织征象。。。。。。。
为了便于较量差别钛合金质料之间的裂纹扩展性能，，，，，将同种温度下的4种质料的ｄａ/ｄＮ-ΔＫ曲线绘制于统一坐标系下，，，，，如图7所示。。。。。。。室温25℃下，，，，，TC18和TC21的ｄａ/ｄＮ-ΔＫ曲线较量靠近，，，，，TC4-DT和Ti-6Al-4Ｖ/ＥＬＩ的ｄａ/ｄＮ-ΔＫ曲线基本重合，，，，，TC18和TC21在低ΔＫ下的裂纹扩展速率显着快于TC4-DT和Ti-6Al-4Ｖ/ＥＬＩ，，，，，随着ΔＫ的增大，，，，，差别性逐渐减小。。。。。。7（ａ））。。。。。。。
高温250℃下，，，，，3种钛合金质料TC21、TC4-DT和Ti-6Al-4V/ELI的ｄａ/ｄＮ-ΔＫ曲线较量靠近，，，，，在低ΔＫ下的裂纹扩展速率显着慢于TC18，，，，，随着ΔＫ的增大，，，，，差别性逐渐减小。。。。。。7（ｂ）），，，，，这恰恰和表3中4种质料的Ｃ和ｍ值的转变纪律相一致。。。。。。。
4、结论
本文试验测定了TC18、TC21、TC4-DT和Ti-6Al-4V/ELI等4种钛合金质料在25℃和250℃下的疲劳裂纹扩展性能，，，，，并举行了性能比照和SEM剖析，，，，，得出了如下结论：
1）在裂纹稳固扩展阶段，，，，，高温下钛合金质料的da/dＮ与ΔＫ之间的关系仍然听从Ｐａｒｉｓ公式，，，，，差别温度下的系数值Ｃ和ｍ可以很好地反应出da/dＮ-ΔＫ曲线的转变。。。。。。。
2）温度转变对TC18裂纹扩展性能影响不大，，，，，随着温度的升高，，，，，和室温下的裂纹扩展速率相比，，，，，在相同的ΔＫ下，，，，，TC21和Ti-6Al-4V/ELI的裂纹扩展速率变慢，，，，，而TC4-DT陪同着ΔＫ的增大，，，，，其速率履历了先变快后变慢的历程，，，，，这说明温度和载荷对钛合金裂纹扩展历程保存着交互作用。。。。。。。
3）无论室温照旧高温，，，，，在4种航空钛合金中，，，，，TC18的裂纹扩展速率均是最快，，，，，室温下TC21相比TC18略慢，，，，，但快于TC4-DT和Ti-6Al-4V/ELI，，，，，而在高温250℃下，，，，，TC21和TC4-DT、Ti-6Al-4V/ELI的裂纹扩展速率较为靠近，，，，，性能相当。。。。。。。
4）SEM剖析批注，，，，，温度升高导致钛合金疲劳断口的外貌粗糙度增添，，，，，高温下疲劳裂纹短促不一连并泛起大宗二次裂纹，，，，，同时氧化作用改变了高温断口的颜色，，，，，使之泛起出浅黄色；；；；； ；；氧化作用加速裂纹成核，，，，，增进滑移的爆发，，，，，加速裂纹扩展的历程，，，，，而断面外貌粗糙度强化了裂纹闭合效应，，，，，有利于减缓裂纹扩展速率，，，，，钛合金裂纹扩展的历程受到闭合与氧化配相助用的影响，，，，，差别温度下钛合金质料裂纹扩展速率的转变取决于裂纹闭合和氧化作用之间的耦合效果。。。。。。。
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