隨著航空發(fā)動機制造業(yè)的發(fā)展，在要求提高其工作溫度的同時，也要求減輕發(fā)動機結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量，以進一步達(dá)到提高發(fā)動機推重比的目的。因鈦合金具有質(zhì)量輕、強度高的特點，故在航空發(fā)動機制造方面得到了廣泛應(yīng)用。

TC4(Ti-6Al-4V)鈦合金是一種綜合性能優(yōu)良的α+β兩相變形鈦合金，在400℃左右具有良好的熱強性能，還具有優(yōu)良的熱加工工藝性能，主要用于制造飛機結(jié)構(gòu)件及葉片等零件，沖擊彎曲韌度(簡稱KCT)是該合金的一項重要的性能指標(biāo)。

某航空發(fā)動機公司的大運TC4合金風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片，要求對TC4鈦合金材料必須經(jīng)KCT測試合格后方可使用，但在行業(yè)中還沒有有關(guān)KCT測試的標(biāo)準(zhǔn)，采用了前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)ΓOCT9454《金屬低溫、室溫和高溫沖擊彎曲試驗方法》，參考了GB/T 229-2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》、GB/T 2038-1991《金屬材料延性斷裂韌度JIC試驗方法》、GB/T 3808-2002《擺錘式?jīng)_擊試驗機的檢驗》、GB/T 6398-2000《金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法》、GB/T 8170-2008《數(shù)值修約規(guī)則與極限數(shù)值的表示和判定》，并結(jié)合試驗設(shè)備情況，對在TC4鈦合金室溫KCT測試過程中遇到的難點，如試樣加工、裂紋預(yù)制以及斷后面積測量等進行了研究和探討，并通過試驗選擇出合適的參數(shù)加以解決。

試驗用材料為TC4鈦合金Ø120 mm棒材，其化學(xué)成分及力學(xué)性能均符合GB/T 2966-1982《優(yōu)質(zhì)TC4鈦合金棒材》的規(guī)定。

試樣的尺寸與形狀如圖1所示，其制備方法與一般沖擊試樣的不同，它除按一般試樣進行加工外，還需在沖擊試樣的缺口尖端預(yù)制1.5 mm深的裂紋。在銑床、刨床、磨床上進行試樣加工時，應(yīng)根據(jù)該材料的特點，合理選擇刀具、磨具材料及幾何參數(shù)，充分使用冷卻液，選擇適當(dāng)?shù)那邢魉俣燃白叩读浚苑乐篃齻蛿D裂現(xiàn)象。預(yù)制裂紋在SDM100型電液伺服動靜疲勞試驗機上進行。先用線切割在沖擊試樣的缺口尖端切割出一定深度的窄縫，再選定合適的動負(fù)荷加載在試樣上，使預(yù)制裂紋深度達(dá)到1.5 mm，在預(yù)制到規(guī)定尺寸裂紋時所需的循環(huán)周次不得少于3000次(該試驗所用的循環(huán)次數(shù)在30000～45000次，頻率在20～30 Hz)。對于長度為55 mm的試樣，在其全長上形成的殘余撓度不得超過0.25 mm(該試樣上的殘余撓度均小于0.02 mm)，試樣兩側(cè)的預(yù)制裂紋深度測量值相差均不大于0.3 mm。

圖1 帶T型應(yīng)力集中源(疲勞裂紋)的試樣(mm)

沖擊試驗是在ZBC2302N-3型沖擊試驗機上進行，試樣支座及擺錘刀刃如圖2所示。斷口面積的測量在JX-1型實體工具顯微鏡上進行(放大倍數(shù)為50倍，其分辨力為0.01 mm)。

圖2 試樣支座及擺錘刀刃(mm)

沖擊試驗后按ΓOCT9454標(biāo)準(zhǔn)中的下式計算KCT值(J/cm2)：

KCT=K/S0

S0=H1×B

式中：K為沖擊功，J;S0為試樣沖擊斷裂的凈截面，cm2。

如圖3所示，H1等于全高度H和試樣斷口表面應(yīng)力集中區(qū)計算深度hp之間的差值。如有需要，可將ac均分成5段分別測出hp值，再進行計算。

圖3 沖擊試樣的斷口尺寸測量

棒材的規(guī)格為Ø120 mm，按材料驗收規(guī)范要求每組沖擊試樣取兩支。

經(jīng)整體熱處理(退火795 ℃×3 h AC)后取兩支縱向試樣，其沖擊功分別為14.9 J和13.9 J,其有效截面積分別為0.752 cm2和0.751 cm2，經(jīng)計算得KCT分別為19.8 J/cm2和18.5 J/cm2。

從棒材上沿縱向切取兩支Ø13 mm×80 mm小試樣，經(jīng)同樣工藝熱處理后其沖擊功分別為10.5 J和12.1 J，其有效截面積分別為0.767 cm2和0.759 cm2，經(jīng)計算得KCT分別為13.7 J/cm2和15.9 J/cm2。

一些對安全性能要求較高的飛行器，其重要構(gòu)件若帶有一定長度的裂紋或缺陷，當(dāng)其受到?jīng)_擊或疲勞負(fù)載的作用時，壽命必將縮短，因此對其壽命長短的判斷是非常重要的。為此，引入了損傷容限設(shè)計或不完整設(shè)計原則，必須對設(shè)計中使用的參數(shù)進行測試和研究，其中對于KCT的測試，即對試樣服役裂紋擴展抗力的評定，就是其中重要的一部分。

金屬材料在沖擊載荷作用下的失效表現(xiàn)為彈性變形、塑性變形和瞬間斷裂3個階段，沖擊吸收功AK實際上由3部分組成：

AK=AB+AD+AP

式中：AB為消耗于試樣彈性變形的彈性功;AD為裂紋形成前消耗于試樣塑性變形的塑性功;AP為裂紋產(chǎn)生后直到試樣完全斷裂，消耗于裂紋擴展的功。

因此，前蘇聯(lián)的沖擊試驗方法中除了U型和V型缺口試樣外，還給出了T型缺口試樣，并將帶有疲勞裂紋試樣的沖擊韌度KCT規(guī)定為必須保證的性能指標(biāo)。

上述試驗與通常的沖擊試驗之間的不同點就在于預(yù)制裂紋及斷后面積的測量及計算。預(yù)制裂紋時，ΓOCT9454標(biāo)準(zhǔn)要求循環(huán)周次不得小于3000次，上述試驗中試樣所用的循環(huán)次數(shù)在30000～45000次;對于長度為55 mm的試樣，ΓOCT9454標(biāo)準(zhǔn)要求在其全長上形成的殘余撓度不得超過0.25 mm，上述試驗中試樣上的殘余撓度均小于0.02 mm;ΓOCT9454標(biāo)準(zhǔn)要求試樣兩側(cè)的預(yù)制裂紋深度測量值相差應(yīng)不大于0.3 mm，上述試驗中試樣兩側(cè)的預(yù)制裂紋深度測量值相差均不大于0.3 mm;ΓOCT9454標(biāo)準(zhǔn)要求斷口用放大倍數(shù)不小于7倍的光學(xué)儀器測量且誤差不大于0.05 mm，上述試驗選用的是放大50倍的實體顯微鏡，且分辨力為0.01 mm。由試驗過程和試驗結(jié)果可以看出，試樣的制備過程和數(shù)據(jù)的測試過程均符合ΓOCT9454標(biāo)準(zhǔn)的要求。

來源：《理化檢驗-物理分冊》2015年第1期