钛合金中alpha相保载效应影响因素研究

From near alpha titanium alloys (eg. Ti6242) to near beta titanium alloys (eg. Ti6246), the dwell effect has a transition from strong to weak, accompanying with the decreasing of plastic strain accumulation and the number of fatigue cracks, however, the dominant factor and specific mechanism accounted for the above transition are still not fully understood. This project would concentrate on the influence of alpha grain size, chemical composition and strain rate on the dwell effect of alpha titanium alloys, which are prepared basing on the chemical composition of primary alpha phases in Ti6242 and Ti6246 alloys. The research emphasis would be placed on characterizing the planar slip behavior including the spacing and thickness of planar slip bands. Moreover, the relationship between the planar slip characteristics and plastic strain accumulation, fatigue crack initiation and fatigue life would be explored. A deeper understanding of the influencing factors of dwell effect and the underlying mechanisms would help to provide new ideas for improving the properties of titanium products and solving the problems, i.e., room temperature creep and dwell effect, which restricted their industry application.

保载效应从近alpha型钛合金（如Ti6242）到近beta型钛合金（如Ti6246）会发生由强到弱的转变，并伴随着塑性应变累积降低，疲劳裂纹数量变少等特征，控制其转变的主导因素和机制目前尚不明确。本项目将基于Ti6242和Ti6246合金中初生alpha相（或alpha晶粒）的化学成分，分别单独制备合金，并根据需要增设对比实验，以研究alpha晶粒尺寸、化学成分以及应变速率对alpha钛合金保载效应的影响。重点考察保载疲劳条件下位错平面滑移行为，表征滑移带间距和厚度。探寻位错平面滑移特征与保载疲劳塑性应变累积、裂纹萌生以及疲劳寿命之间的关系，阐明保载效应影响因素和机制。通过以上研究结果为提升钛合金产品性能，解决制约其工程应用的室温蠕变和保载疲劳问题提供新思路。

针对钛合金中保载效应存在强弱转变，且控制转变的主导因素和机制尚不明确的问题，本项目通过将Ti6242和Ti6246合金中alpha相的化学成分单独制备合金，并通过热处理调控，在不同成分的alpha合金中制备了具有相同特定晶粒尺寸的单alpha相组织。成功实现了控制变量，研究单一特定因素的目标。利用上述材料，本项目研究了晶粒尺寸、合金成分、alpha2相以及加载速率等因素对alpha相钛合金保载效应的影响，取得了如下主要结果：.(1) 相比于二元的Ti-7Al wt.%，常规钛合金中的α相由于存在Sn、Zr、Mo等元素，会表现出显著降低的应变硬化能力。应变硬化能力弱化，导致alpha相合金出现显著的保载效应；对于存在保载效应的合金，晶粒尺寸增大会加剧保载效应。.(2) alpha相合金中Al、Zr、Mo等元素的含量发生变化，会影响保载效应强弱；对于存在保载效应的合金，降低合金中的Al含量、增加Zr和Mo含量将会有助于缓解保载效应。.(3) 高温固溶后水淬处理抑制alpha2相析出和长时低温处理促使alpha2相充分析出长大，都会增强合金的应变硬化能力，从而降低合金的保载敏感性。.(4) 加载速率会显著影响alpha相合金的普通疲劳和保载疲劳寿命，以及疲劳过程中的塑性应变累积；本研究工作中加载速率为1s时对应的保载效应最强。.本项目的研究结果对于钛合金保载效应评价过程中疲劳参数的选择、抗保载疲劳合金成分设计以及热处理工艺制定具有重要指导价值。