發(fā)布日期：2025-11-2 19:21:25
當(dāng)下，合金材料正向輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高模量的方向發(fā)展。鈦及其合金因其密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性?xún)?yōu)良、熱強(qiáng)性好等優(yōu)點(diǎn)[1]，在航空航天及海洋工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前,針對(duì)鈦合金材料的蠕變行為研究主要為高溫蠕變行為，其機(jī)理主要是通過(guò)高溫誘導(dǎo)擴(kuò)散發(fā)生蠕變。而在室溫條件下，類(lèi)似的擴(kuò)散現(xiàn)象并不能產(chǎn)生,因此蠕變現(xiàn)象主要通過(guò)應(yīng)力誘導(dǎo)發(fā)生2。鈦合金雖然具有一系列顯著優(yōu)點(diǎn)，但卻始終存在著一個(gè)難以被忽視的問(wèn)題,即鈦合金在室溫下的蠕變行為會(huì)影響結(jié)構(gòu)件的尺寸精度，影響結(jié)構(gòu)件安全有效的服役。隨著鈦合金在深海裝備上的廣泛應(yīng)用，深海設(shè)備耐壓結(jié)構(gòu)的選材也逐步放棄高強(qiáng)鋼，選用比強(qiáng)度高、低磁性以及耐腐蝕好的鈦合金。深潛設(shè)備的作業(yè)溫度雖不高，但深海作業(yè)環(huán)境下較大的壓應(yīng)力將會(huì)使耐壓結(jié)構(gòu)部件發(fā)生不同程度的蠕變變形，從而導(dǎo)致構(gòu)件強(qiáng)度下降，甚至引發(fā)失效。隨著各種海洋活動(dòng)日益增多，對(duì)常溫高壓下的鈦合金壓縮蠕變性能的研究顯得十分有必要[3]。
鈦合金具有明顯的拉壓不對(duì)稱(chēng)性,拉壓不對(duì)稱(chēng)的存在使得鈦合金在工程應(yīng)用過(guò)程中并不能通過(guò)拉伸或拉伸蠕變行為來(lái)判斷合金壓縮或壓縮蠕變行為的具體情況[4],因此鈦合金材料的壓縮蠕變行為并不能通過(guò)拉伸蠕變行為作簡(jiǎn)單類(lèi)比。目前，針對(duì)鈦合金材料以及構(gòu)件在常溫下的蠕變研究主要集中在拉伸蠕變方面，而針對(duì)結(jié)構(gòu)的壓縮蠕變性能研究相對(duì)較少,研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)一段時(shí)間蠕變后常溫低應(yīng)力條件下的鈦合金蠕變變形會(huì)趨于飽和，之后不會(huì)再發(fā)生較為明顯的蠕變，這一現(xiàn)象被稱(chēng)為蠕變飽和;研究還發(fā)現(xiàn)鈦合金材料的蠕變存在應(yīng)力閾值，常溫下的蠕變?cè)诘蛻?yīng)力水平時(shí)僅出現(xiàn)了蠕變第1階段減速蠕變階段,當(dāng)?shù)?階段結(jié)束時(shí)蠕變速率趨近于0不會(huì)進(jìn)入第2階段，只有當(dāng)應(yīng)力水平較高時(shí)才會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)階段。
鈦合金在常溫下的壓縮蠕變需要有較高的外加應(yīng)力才能繼續(xù)進(jìn)行。當(dāng)外加應(yīng)力小于應(yīng)力閾值時(shí)，則沒(méi)有穩(wěn)態(tài)蠕變出現(xiàn)，只有初始蠕變[5]。只有當(dāng)蠕變應(yīng)力不小于屈服強(qiáng)度o，的0.85倍時(shí)才能觀察到Ti-6Al-4V較為明顯的室溫蠕變[6],且室溫蠕變效應(yīng)隨著蠕變應(yīng)力水平的提高而增大。常溫下鈦合金壓縮蠕變存在應(yīng)力臨界值
本研究通過(guò)對(duì)TC4鈦合金室溫壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，分析針對(duì)試驗(yàn)加工精度差異及試驗(yàn)加載方式下壓縮蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性，系統(tǒng)性地研究了試樣尺寸、端面平面度、加載方式(壓盤(pán)類(lèi)型)和變形測(cè)量方法等多個(gè)因素對(duì)室溫壓縮蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的影響,旨在識(shí)別并排除非材料本征行為導(dǎo)致的試驗(yàn)誤差。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在合理的參數(shù)范圍內(nèi)試樣尺寸(長(zhǎng)徑比和直徑)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果均無(wú)顯著影響，為試樣尺寸選擇提供了更靈活的依據(jù);論證了平面度的決定性作用;明確指出試樣端面平面度是影響試驗(yàn)結(jié)果的核心與前提，驗(yàn)證了球形壓盤(pán)在補(bǔ)償端面加工誤差、提高試驗(yàn)容錯(cuò)率方面的有效性;驗(yàn)證了四光柵尺測(cè)量方法在識(shí)別不均勻變形、避免誤判方面的必要性，為開(kāi)發(fā)壓縮蠕變?cè)囼?yàn)方法、量化試驗(yàn)過(guò)程影響因素提供參考。
1、試驗(yàn)部分
1.1試驗(yàn)材料
試驗(yàn)材料為T(mén)C4鈦合金,取自一根∅20mm的圓棒,于試棒中心取樣并制取圓柱形壓縮蠕變?cè)嚇?依照GB/T4698.29-2024《海綿鈦、鈦及鈦合金化學(xué)分析方法第29部分:鋁、碳、鉻、銅、鐵、錳、鉬、鎳、硅、錫、釩、鋯含量的測(cè)定光電直讀光譜法》分析其成分,其化學(xué)成分包括鋁、釩等元素,符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3620.1-2016中對(duì)材料的要求,見(jiàn)表1。
表1 TC4鈦合金化學(xué)成分測(cè)定結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)要求的對(duì)比(質(zhì)量分?jǐn)?shù))
| 項(xiàng)目 | Ti | Al | V | 0 | Fe | Nb | N | Si |
| 測(cè)定值 | 89.418 | 6.015 | 4.064 | 0.180 | 0.130 | 0.029 | 0.029 | 0.027 |
| 標(biāo)準(zhǔn)要求* | 5.50~6.75 | 3.5~4.5 | ≤0.20 | ≤0.30 | ≤0.10 | ≤0.05 | ≤0.10 |
*標(biāo)準(zhǔn)GB/T3620.1-2016。
1.2試驗(yàn)裝置及參數(shù)
RD-100Y壓縮蠕變持久試驗(yàn)機(jī)(長(zhǎng)春科新試驗(yàn)儀器有限公司)為球形壓盤(pán);RD-100高溫蠕變持久試驗(yàn)機(jī)(長(zhǎng)春科新試驗(yàn)儀器有限公司)使用反力架裝置,為平面壓盤(pán)。球形壓盤(pán)使用4支ST1288光柵尺(HEIDENHAIN)測(cè)量試樣變形，分別位于0°、90°、180°、270°方向;反力架平面壓盤(pán)使用2支ST1288光柵尺(HEIDENHAIN),分別位于0°、180°方向。光柵尺精度0.0005mm,試驗(yàn)環(huán)境為(25±5)℃,試驗(yàn)力加載速率為100N/s。
2、試驗(yàn)過(guò)程
為分析并探究室溫壓縮蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果的影響因素，比較了不同長(zhǎng)徑比(試樣長(zhǎng)度與直徑之比)、直徑、平面度試樣間試驗(yàn)結(jié)果的差異，同時(shí)比較了平面壓盤(pán)及球形壓盤(pán)的差異和光柵尺數(shù)量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。
2.1長(zhǎng)徑比
多數(shù)材料在進(jìn)行壓縮試驗(yàn)時(shí)，試樣兩端部受其與試驗(yàn)機(jī)承壓極間摩擦力的束縛、不能自由側(cè)向膨脹而產(chǎn)生的對(duì)蠕變應(yīng)變?cè)囼?yàn)值的影響，稱(chēng)之為端部效應(yīng)。適當(dāng)增加長(zhǎng)徑比可以減少端部效應(yīng)的影響，使試驗(yàn)結(jié)果值更符合材料自身性能;但長(zhǎng)徑比過(guò)大可能導(dǎo)致在測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，從而使測(cè)得的蠕變強(qiáng)度值偏低。一般來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)徑比的選擇需要考慮試驗(yàn)設(shè)備的尺寸和能力范圍。為便于對(duì)比分析試樣應(yīng)變曲線，各組試樣保持相同長(zhǎng)度，調(diào)整直徑，分別控制長(zhǎng)徑比為2:1、1:1、1:1.5進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表2及圖1。由表2可見(jiàn),3種長(zhǎng)徑比對(duì)試樣起始應(yīng)變和蠕變應(yīng)變的影響并不顯著，說(shuō)明在2:1~1:1.5范圍內(nèi)，長(zhǎng)徑比對(duì)壓縮蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果的影響可忽略不計(jì);
由圖1可見(jiàn),3種長(zhǎng)徑比對(duì)試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響并不顯著。
表2 3種長(zhǎng)徑比對(duì)壓縮蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果的影響
| 長(zhǎng)徑比 | 直徑/mm | 起始應(yīng)變/% | 蠕變應(yīng)變/% |
| 2:1 | 6.00 | 1.115 | 0.013 |
| 1:1 | 12.00 | 1.101 | 0.015 |
| 1:1.5 | 18.00 | 1.118 | 0.013 |
2.2直徑
通常情況下,較大直徑更容易存在缺陷和不均勻性,可能會(huì)導(dǎo)致蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果偏高;小直徑試樣可能由于表面效應(yīng)和邊緣效應(yīng)，導(dǎo)致硬度值偏高，反而會(huì)使蠕變應(yīng)變低于真實(shí)值。保持試樣長(zhǎng)徑比為1:1，設(shè)置試樣直徑分別為6.00、9.00、12.00mm進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表3及圖2。由表3可見(jiàn),3種直徑對(duì)試樣起始應(yīng)變和蠕變應(yīng)變的影響并不顯著，說(shuō)明在試驗(yàn)范圍內(nèi),長(zhǎng)徑比對(duì)壓縮蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果無(wú)影響;
由圖2可見(jiàn),3種直徑對(duì)試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響并不顯著。
表3 3種直徑對(duì)壓縮蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果的影響
| 試樣直徑/mm | 起始應(yīng)變/% | 蠕變應(yīng)變/% |
| 6.00 | 1.071 | 0.018 |
| 9.00 | 1.083 | 0.017 |
| 12.00 | 1.061 | 0.020 |
2.3平面度
對(duì)于本研究使用的圓柱形試樣而言,平面度為上下兩底面之間最大距離與最小距離之差。在理想狀況下，平面度為0,試驗(yàn)機(jī)上下壓盤(pán)應(yīng)與試樣底面貼合,然而受加工誤差及試樣可能存在的內(nèi)部缺陷影響，試樣上下底面不能完全保證平行，導(dǎo)致試樣受力不均勻，影響試驗(yàn)準(zhǔn)確性，因此需量化平面度的公差范圍。固定試樣長(zhǎng)徑比和直徑，依次增加試樣一端端面傾斜程度得到不同平面度的對(duì)比試樣,按一定角度磨削試樣一端端面,控制試樣平面度為0.01~0.06進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果如表4所示。由表4可見(jiàn),隨著試樣平面度的增加，同軸度逐漸增大;當(dāng)平面度為0.03時(shí)，試樣同軸度無(wú)法保持在10%以?xún)?nèi)，此時(shí)，當(dāng)平面度為0.03及以上時(shí),一側(cè)光柵尺變形測(cè)量為負(fù)值,且試樣蠕變應(yīng)變逐漸增加,偏離正常試樣范圍較大,這是由于試樣端面無(wú)法緊密貼合壓盤(pán),造成試樣只有一側(cè)承受載荷,試驗(yàn)測(cè)得值為局部蠕變應(yīng)變結(jié)果導(dǎo)致。
表4 平面度對(duì)壓縮蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果的影響
| 平面度(l=12mm) | 同軸度/% | 蠕變變形/mm | 蠕變應(yīng)變/% |
| 0.00 | ≤5 | 0.0016 | 0.013 |
| 0.01 | ≤10 | 0.0016 | 0.013 |
| 0.02 | ≤10 | 0.0018 | 0.015 |
| 0.03 | ≤40 | 0.0034 | 0.028 |
| 0.04 | 0.0055 | 0.046 | |
| 0.06 | 0.0070 | 0.058 |
2.4壓盤(pán)形式
球形壓盤(pán)與平面壓盤(pán)的主要區(qū)別在于:球形壓盤(pán)上壓盤(pán)可適當(dāng)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以貼合試樣表面，而平面壓盤(pán)則始終保持上下壓盤(pán)平行。將比例與尺寸相同的試樣分別使用球形壓盤(pán)與平面壓盤(pán)進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn),由于壓縮蠕變?cè)囼?yàn)試驗(yàn)力為單軸加載，試驗(yàn)力加載方向與試樣軸線重合，試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果均能保持一致。
2.5光柵尺數(shù)量
由圖4可見(jiàn)，在使用4支光柵尺的情況下，可明顯觀察到各方向應(yīng)變量的差異，其中0°與180°方向、90°與270°方向光柵尺分別對(duì)稱(chēng)安裝在試樣兩側(cè)，方向相互垂直。可明顯看出，0°與180°方向同軸度較差，且其中一支光柵尺在試驗(yàn)過(guò)程中的變形量明顯小于其他3支，在壓縮蠕變?cè)囼?yàn)中，并不能使同軸度同拉向試驗(yàn)在試驗(yàn)力的增載及保持時(shí)逐漸減小，反而可能使同軸度隨試驗(yàn)進(jìn)行逐漸變差。若只使用兩支光柵尺，可能無(wú)法識(shí)別到這種情況的發(fā)生，影響試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。使用4支光柵尺，可將同軸度的檢查與調(diào)整由單一方向拓展為全方向，極大增加了試驗(yàn)測(cè)量的準(zhǔn)確性。
3、分析與討論
Ti-6Al-4V合金的室溫壓縮蠕變機(jī)制主要是位錯(cuò)滑移和少量孿生。在蠕變過(guò)程中，硅的加入 [10]。對(duì)于α+β鈦合金,首先是基面滑移最容易啟動(dòng)，其次是柱面滑移和錐面滑移，錐面滑移也對(duì)蠕變有較大貢獻(xiàn)[11]。當(dāng)應(yīng)力施加過(guò)于集中時(shí),更容易導(dǎo)致滑移的發(fā)生。TC4鈦合金α+β雙相鈦合金，在不同相的邊界上存在諸如內(nèi)部屏障、內(nèi)勢(shì)壘等的蠕變阻力，在室溫環(huán)境下沒(méi)有足夠的能量突破阻力，蠕變應(yīng)變率和損傷演化速率會(huì)隨著時(shí)間推移速率逐漸減少[12]。
理論分析表明,過(guò)小的長(zhǎng)徑比會(huì)因端部效應(yīng)而高估材料強(qiáng)度,過(guò)大的長(zhǎng)徑比則可能引發(fā)失穩(wěn)而導(dǎo)致結(jié)果偏低。然而，在本實(shí)驗(yàn)設(shè)定的參數(shù)范圍內(nèi)，起始應(yīng)變與蠕變應(yīng)變均未表現(xiàn)出顯著差異。這一結(jié)果說(shuō)明，在試驗(yàn)選取試樣尺寸下，端部效應(yīng)與失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)均得到了有效控制，其對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響已被降至次要地位。因此，可以認(rèn)為在此尺寸區(qū)間內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，長(zhǎng)徑比和直徑并非關(guān)鍵影響因素，這為試樣尺寸的選擇提供了一定的靈活性。
平面度被證實(shí)是影響試驗(yàn)結(jié)果的核心因素之。當(dāng)試樣平面度較差時(shí)，產(chǎn)生了兩個(gè)顯著的負(fù)面效應(yīng):首先,試樣與壓盤(pán)的同軸度急劇惡化,導(dǎo)致載荷施加偏離軸線;其次，蠕變應(yīng)變讀數(shù)出現(xiàn)異常，一側(cè)光柵尺測(cè)量值為負(fù)，且整體蠕變應(yīng)變值異常增高。這表明不平整的端面導(dǎo)致試樣處于偏心受壓狀態(tài)，所測(cè)得的蠕變實(shí)質(zhì)上是局部應(yīng)力集中導(dǎo)致的非均勻變形，而非材料真實(shí)的蠕變特性。因此，嚴(yán)格控制試樣平面度是保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效性的前提。
對(duì)比球形壓盤(pán)與平面壓盤(pán)的試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)球形壓盤(pán)在補(bǔ)償試樣端面缺陷方面的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于平面度不佳的試樣，球形壓盤(pán)通過(guò)自適應(yīng)改善了載荷的分布，使得在同軸度已顯著惡化的情況下，測(cè)得的蠕變應(yīng)變?nèi)阅芫S持在可接受的范圍。這一機(jī)制有效緩解了因加工誤差引入的系統(tǒng)誤差。然而，當(dāng)平面度超過(guò)其補(bǔ)償能力時(shí)，球形壓盤(pán)也無(wú)法糾正由此產(chǎn)生的嚴(yán)重偏差。因此，球形壓盤(pán)可作為一種提高試驗(yàn)容錯(cuò)率的有效加載方式，但不能替代對(duì)試樣平面度的基本要求。
實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn),在壓縮過(guò)程中,試樣的同軸度可能不會(huì)自動(dòng)改善,反而可能惡化,且變形在圓周方向上呈現(xiàn)不均勻性。若僅使用兩支對(duì)稱(chēng)的光柵尺，可能會(huì)漏檢垂直于測(cè)量平面的另一方向上的偏心變形,從而將局部的、不均勻的變形誤判為材料的整體均勻蠕變。采用4支光柵尺的配置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)試樣全周向變形的監(jiān)控，能夠準(zhǔn)確識(shí)別并量化這種不均勻性，從而有效避免了對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的誤判。這證明了多傳感器測(cè)量系統(tǒng)在提升壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，特別是識(shí)別和排除異常數(shù)據(jù)方面的必要性。
受變形機(jī)理影響,鈦合金壓縮蠕變?cè)囼?yàn)對(duì)試樣加工精度和試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)穩(wěn)定性要求極高,若在加載階段就因應(yīng)力施加失準(zhǔn)而產(chǎn)生了局部應(yīng)力集中，則會(huì)產(chǎn)生過(guò)高的初始變形，會(huì)得到錯(cuò)誤的彈模參數(shù)，且初始塑性應(yīng)變?cè)酱?對(duì)后續(xù)蠕變變形的抑制效果越明顯，壓縮加載方式會(huì)放大任何初始的偏心或不對(duì)中誤差，導(dǎo)致結(jié)果嚴(yán)重失真甚至無(wú)效。相對(duì)而言，尺寸效應(yīng)及不同長(zhǎng)徑比帶來(lái)的端部效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)參數(shù)的影響則極為有限,在合理范圍內(nèi)均不會(huì)影響試驗(yàn)進(jìn)行。
4、結(jié)論
(1)對(duì)于金屬材料壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，試樣長(zhǎng)徑比、試樣直徑與試驗(yàn)結(jié)果無(wú)明顯相關(guān)性,試樣長(zhǎng)徑比范圍在2:1~1:1.5之間經(jīng)驗(yàn)證均可靠有效;
(2)球形壓盤(pán)相比平面壓盤(pán)對(duì)平面度的允差范圍更大,球形壓盤(pán)在一定范圍內(nèi)可以補(bǔ)償平面度不足帶來(lái)的誤差,提高了試驗(yàn)裝置的配合程度以及試驗(yàn)準(zhǔn)確性。
(3)平面度對(duì)壓縮蠕變?cè)囼?yàn)控制極為重要,增加光柵尺數(shù)量可更加有效判斷試樣平面度優(yōu)劣。未來(lái)的壓縮蠕變?cè)囼?yàn)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注并明確規(guī)定試樣的平面度公差，同時(shí)推薦使用球形壓盤(pán)和多光柵尺測(cè)量系統(tǒng)，以全面提升試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性與準(zhǔn)確性。
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（注，原文標(biāo)題：TC4鈦合金壓縮蠕變?cè)囼?yàn)影響因素探討）