一种tc18钛合金网篮组织断裂韧性预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及材料领域，具体是一种可有效预测钛合金断裂韧性的方法。
【背景技术】
[0002] 自二十世纪四十年代开始，由于客机的频繁失事，航空器结构件由单纯静强度设 计概念转变到安全一寿命设计概念、破损一安全设计概念，直至现代的损伤容限设计准则。 在损伤容限设计准则中，断裂韧性是一项重要指标，它表征了材料阻止裂纹扩展的能力，因 此保证航空结构件的断裂韧性对其安全飞行至关重要。由于断裂韧性的重要性，国内外学 者一直在尝试建立材料的断裂韧性预测方法。国外在断裂韧性的预测方面已经做了很多工 作。1964年，Krafft在期刊Applied Materials and Research上发表了一篇名为"Crack Toughness and Strain Hardening of Steels"文章，开创性地建立了低强度、中强度和高 强度钢的平面应变断裂韧性与应变硬化指数的关系。Gokhale等人在期刊Metallurgical and Materials Transactions A上发表了一篇名为"Relationship Between Fracture Toughness , Fracture Path , and Microstructure of 7050Aluminum Alloy:Part II .Multiple Micromechanisms-based Fracture Toughness Model" 的文章，基于微观断 裂机制建立了 7050错合金断裂韧性与断口形貌的定量关系。Baron在期刊Strength of Materials上发表了 一篇名为 "Relationship between fracture toughness and deformation ahead of the crack tip"的文章，建立了15Kh2NMFA钢断口延伸带尺寸同断 裂韧性的定量关系，预测结果较好。需要注意的是，由于不同合金断裂机制不同，相同合金 不同组织的断裂机制也有差异，因此上述预测模型应用范围有限。
[0003] 钛及钛合金因具有密度低、比强度高、耐蚀性好等优良性能而被广泛应用于航空 等领域。众所周知，钛合金断裂韧性对显微组织特别敏感，然而，国内外对钛合金不同显微 组织特征下断裂韧性变化规律的描述仅仅停留在定性范畴，并没有建立起适用于钛合金不 同组织的断裂韧性定量预测方法及相应规范。
【发明内容】
[0004] 为克服现有技术中尚无适用于钛合金不同组织的断裂韧性定量预测方法及相应 规范的不足，本发明提出了一种TC18钛合金网篮组织断裂韧性预测方法。
[0005] 本发明的具体过程是：
[0006] 步骤1，断裂韧性预测模型的推导。
[0007] 通过公式(6)推导断裂韧性预测模型
[0008]
(6)
[0009]其中，Κκ为断裂韧性，为合金的均匀延伸率，即拉伸试样在颈缩前的延伸率， 和〇\分别是抗拉强度和屈服强度;E为弹性模量，L(e)是裂纹扩展路径的真实长度，L〇(e)是 裂纹扩展路径沿断裂韧性试样开口方向的投影长度，v为泊松比。
[0010] 步骤2，TC18钛合金断裂韧性预测及实施方法。采用公式(6)对TC18钛合金的四种 组织形态分别进行断裂韧性的预测，四种组织分别命名为A，B，C，D。
[0011] 要预测TC18钛合金各组织的断裂韧性，必须分别获得TC18钛合金各组织的力学性 能参数和裂纹扩展路径曲折度L( ε) /Lo，具体流程为：
[0012] I力学性能参数的获取。力学性能参数包括拉伸性能和断裂韧性。拉伸性能参数有 屈服强度、断裂强度、均匀延伸率、弹性模量以及泊松比。给定组织下切取三个拉伸性能试 样和一个断裂韧性试样。
[0013] 所述拉伸性能试样的尺寸及测试方法依据GB/T 228.1-2010进行。断裂韧性试样 的尺寸及测试方法则严格按照国标GB/T4161-2007进行。屈服强度、断裂强度、均匀延伸率、 弹性模量各参量均为某个组织下TC18钛合金所测拉伸结果的求和平均值。
[0014] 所述弹性模量为1 lOGPa，泊松比为0.35。
[0015] Π 裂纹扩展路径曲折度L(e)/Lo的获取。通过破坏后的钛合金断裂韧性试样侧面 金相，获得裂纹扩展路径，并在所述裂纹扩展路径上随机选取五个视场，各视场的宽度不低 于200μπι。具体是，首先需要磨制破坏后的钛合金断裂韧性试样侧面金相，并采用光学显微 镜进行拍照观察，以获得裂纹扩展路径。
[0016] 对得到的各视场中的L(e)/Lo进行计算的过程:通过图像处理软件进行二值化、腐 蚀膨胀及开闭运算处理，得到清晰的裂纹扩展路径。采用divider method方法统计视场内 的真实裂纹长度L(e)。为了保证准确性，码尺长度取ΙΟμπι。裂纹投影长度Lo通过视场中的比 例尺得到。计算L(〇/Lo,得到某一视场下的裂纹扩展路径曲折度。
[0017] 按照以上所述步骤对给定组织下TC18钛合金其余4个视场的L(〇/Lo分别进行计 算，最后对5个视场的L(〇/L〇值求和取平均值，即为给定组织下TC18钛合金裂纹扩展路径 曲折度。
[0018] 重复所述过程，直至获得A，B，C，D四种组织的力学性能参数和裂纹扩展路径曲折 度。
[0019] 步骤3，TC18钛合金断裂韧性预测方法有效性验证。将步骤2中所获得的拉伸性能 参数及裂纹扩展路径曲折度L(e)/L〇代入公式(6)，能够算得某一给定组织下TC18钛合金的 断裂韧性值。根据步骤1和2分别A，B，C，D四种组织形态下TC18钛合金断裂韧性。最终将四种 组织形态下TC18钛合金断裂韧性实测值与预测值对比。对比发现，公式(6)能够很好的预测 TC18钛合金的断裂韧性，最大误差不超过8%。
[0020] 本发明通过综合考虑本征断裂抗力和外在断裂抗力对钛合金断裂韧性的影响，建 立了基于钛合金拉伸性能和裂纹扩展路径的断裂韧性预测模型，并且制订了利用该模型进 行钛合金断裂韧性预测的具体实施规范。本发明中，获得钛合金裂纹扩展路径曲折度是对 其进行断裂韧性预测的重要环节，附图1所示即为断裂韧性试样裂纹扩展路径示意图。在实 施例1中，本发明详细介绍了获取TC18钛合金裂纹扩展路径曲折度的方法，附图2和附图3所 示即为TC18钛合金裂纹扩展路径的提取流程。基于本发明，TC18钛合金断裂韧性被成功预 测，预测误差在8%以内。基于本发明，TC17钛合金断裂韧性被成功预测，预测误差在8%以 内。综上所述，本发明可有效预测给定钛合金的断裂韧性。
[0021] 本发明适用于任意种类和任意组织的钛合金。
【附图说明】
[0022]图1是本发明中裂纹扩展路径示意图。其中：1.裂纹扩展路径;2.断裂韧性试样断 裂面。
[0023]图2是本发明中TC18钛合金四种组织的裂纹扩展路径；其中：图2a是组织A的裂纹 扩展路径，图2b是组织B的裂纹扩展路径，图2c组织C的裂纹扩展路径，图2d是组织D的裂纹 扩展路径。
[0024]图3是本发明中TC18钛合金四种组织清晰化处理后的裂纹扩展路径;其中：图3a是 组织A的裂纹扩展路径，图3b是组织B的裂纹扩展路径，图3c组织C的裂纹扩展路径，图3d是 组织D的裂纹扩展路径。
[0025]图4是本发明的流程图。
【具体实施方式】 [0026] 实施例1:
[0027]本实施例是一种TC18钛合金网篮组织断裂韧性预测方法。本实施例的具体过程 是：
[0028]步骤1，断裂韧性预测模型的推导。
[0029]根据线弹性断裂力学理论，断裂韧性由下式表示：
[0030]
(1)
[0031 ]式中Κκ为断裂韧性，Gk为临界应变能释放率，E为弹性模量，v为泊松比。
[0032] 在小范围屈服条件下，公式(1)中的临界应变能释放率GIC可由下式表示：
[0033] Gic = 2yeff (2)
[0034] γ 代表有效表面能，是裂纹向前扩展的阻力。
[0035] 1998年，Charkaluk等人在Engineering Fracture Mechanics上发表了名为 "Fracta 1 s and Fracture"的文章，认为临界应变能释放率Gk中仅考虑了有效表面能的影 响，而裂纹扩展路径的影响却并未考虑。根据研究，在公式(2)中纳入放大系数L( e)/Lo,从