石科學(xué)，張浩，茍曼曼

（西安漢唐分析檢測(cè)有限公司， 陜西西安 710016）

鈦合金具有較好的綜合力學(xué)性能，優(yōu)良的鍛造工藝性能，且熱處理工藝簡(jiǎn)單易行，耐高溫，焊接性能優(yōu)良，主要用于制造高性能飛行器的重要構(gòu)件。由于鈦合金薄板材被廣泛用于構(gòu)件的關(guān)鍵部位，是結(jié)構(gòu)體的主要承壓和承熱材料，高溫蠕變性能是決定鈦合金結(jié)構(gòu)部件質(zhì)量的關(guān)鍵。

由于航空用鈦合金薄板（0.5 mm～4 mm厚度）的拉伸蠕變性能對(duì)樣品尺寸、試驗(yàn)溫度、測(cè)量器具，設(shè)備精度具有高度敏感性，依照GB/T 2039-2012《金屬材料單軸拉伸蠕變?cè)囼?yàn)方法》［1］對(duì)鈦合金薄板進(jìn)行拉伸蠕變性能檢測(cè)，在滿足實(shí)驗(yàn)條件的情況下，檢測(cè)結(jié)果差異性較大，不能夠反映材料的真實(shí)性能，不利于產(chǎn)品性能的提高。因此本文針對(duì)航空用鈦合金薄板的拉伸蠕變性能測(cè)試細(xì)節(jié)，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)中未明確規(guī)定的試驗(yàn)因素進(jìn)行確認(rèn)，解決實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異性大等技術(shù)缺陷，從而提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 測(cè)量原理

通過長(zhǎng)時(shí)間的恒溫和恒應(yīng)力作用，金屬材料發(fā)生緩慢的塑性變形，蠕變變形測(cè)量采用雙側(cè)引伸計(jì)或非接觸式引伸計(jì)，根據(jù)試驗(yàn)要求進(jìn)行多步控制獲得蠕變變形量、應(yīng)力、溫度隨時(shí)間變化的原始數(shù)據(jù)，如圖1所示給出了高溫條件下應(yīng)變量和時(shí)間關(guān)系曲線，根據(jù)蠕變?cè)囼?yàn)標(biāo)準(zhǔn)給出的不同蠕變性能指標(biāo)公式計(jì)算獲得相關(guān)結(jié)果。

2 影響測(cè)試原因分析

2.1 試驗(yàn)過程中高溫爐的影響

現(xiàn)有板材蠕變標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2039-2012中規(guī)定溫度不大于600℃時(shí)溫差和溫度梯度允許偏差為±3℃，試驗(yàn)溫度位于600℃～800℃時(shí)允許偏差為4℃。應(yīng)當(dāng)按照標(biāo)準(zhǔn)定期對(duì)高溫爐和儀表進(jìn)行校準(zhǔn)，保證試驗(yàn)時(shí)溫度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)板材試樣樣品原始標(biāo)距長(zhǎng)度100mm，試驗(yàn)過程中需要爐子均溫區(qū)盡量大，試驗(yàn)過程中試樣在高溫應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生變形，同時(shí)裝樣時(shí)應(yīng)盡量把樣品裝在高溫爐的均溫區(qū)的中心位置。

2.2 薄板試樣尺寸及加工

因?yàn)楸“鍢悠泛穸瘸叽绾蜋C(jī)加工寬度對(duì)結(jié)果影響較大，板材試樣厚度不進(jìn)行加工，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定橫截面面積應(yīng)取樣品橫截面積的平均值，如果標(biāo)距范圍內(nèi)板材厚度差異較大，那么厚度較小處容易先發(fā)生變形而不是標(biāo)距范圍內(nèi)均勻變形。這種情況下應(yīng)對(duì)板材試樣進(jìn)行打磨處理或重新取樣加工，避免因?yàn)樵嚇雍穸炔痪鶆驅(qū)е聹y(cè)試結(jié)果出現(xiàn)偏差。同時(shí)加工樣品時(shí)應(yīng)保證試樣兩端臺(tái)階平行對(duì)稱，試樣兩端孔中心位置與試樣中軸線對(duì)齊。

2.3 試驗(yàn)機(jī)同軸度及工裝夾具

試驗(yàn)機(jī)的同軸度對(duì)薄板材的蠕變結(jié)果影響很大，試驗(yàn)證明相同條件下同軸度較差的試驗(yàn)機(jī)測(cè)試獲得的試驗(yàn)結(jié)果差異特別大［2］。在進(jìn)行試樣安裝時(shí)應(yīng)注意板材工裝夾具與樣品的安裝，夾具與工裝配合不緊密時(shí)容易造成板材受力不在試驗(yàn)機(jī)軸心上，銷釘不合適時(shí)容易造成板材試樣孔位置發(fā)生變形，從而影響蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果［3］。

3 測(cè)試方法改進(jìn)

在提高試驗(yàn)機(jī)、高溫爐和引伸計(jì)精度的情況下，試驗(yàn)過程中應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)對(duì)樣品和工裝夾具進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)定，避免試驗(yàn)過程中樣品和工裝夾具等因素對(duì)蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果的影響。

3.1 試樣加工

由于蠕變?cè)囼?yàn)對(duì)薄板試樣的加工精度要求較高，加工時(shí)應(yīng)首先檢查薄板厚度尺寸是否滿足標(biāo)準(zhǔn)公差要求，如不滿足應(yīng)當(dāng)進(jìn)行打磨直至滿足要求，試樣表面粗糙度Ra不應(yīng)大于0.4μm。樣品加工建議采用線切割方式加工，這樣能夠保證試樣兩端凸臺(tái)平行對(duì)稱，對(duì)板材試樣打孔時(shí)應(yīng)保證孔中心位置位于試樣中軸線上，要求薄板試樣兩端銷孔中心連線與試樣中軸線的偏移量不應(yīng)超過0.05 mm。這樣加工有助于樣品在安裝引伸桿測(cè)量變形過程中同軸度的調(diào)節(jié)，測(cè)量裝樣前應(yīng)對(duì)試樣表面進(jìn)行清洗去除表面油污。

3.2 工裝夾具

薄板試樣采用銷孔方式與試驗(yàn)機(jī)連接，選用合適的板材夾具，保證試樣與槽兩側(cè)總間隙不超過0.5mm，如果試樣與槽兩側(cè)間隙過大應(yīng)在兩側(cè)添加厚度相同的墊片保證試樣在試驗(yàn)機(jī)中軸線上，間隙差異較大時(shí)建議在板材試樣兩端焊接墊片或加工合適的工裝夾具再進(jìn)行試驗(yàn)，銷釘應(yīng)與板材銷孔緊密配合。

3.3 試樣變形測(cè)量同軸度調(diào)節(jié)

試驗(yàn)時(shí)變形測(cè)量引伸計(jì)安裝完成后，在室溫下進(jìn)行同軸度調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)時(shí)要求在彈性變形階段調(diào)整試樣安裝同軸度，建議在確定材料性能的前提下，同軸度調(diào)整施加載荷可以達(dá)到試驗(yàn)力的80%。從而能夠確保兩側(cè)變形測(cè)量的均勻一致。試樣同軸度為兩側(cè)彈性變形階段變形量與平均值之差除以平均值，要求同軸度不大于10%，如果不滿足要求則需要對(duì)引伸桿和試樣進(jìn)行微調(diào)或重新安裝直至滿足要求。

3.4 保溫、加載和卸載

試驗(yàn)時(shí)規(guī)定保溫時(shí)間不應(yīng)小于1 小時(shí)。保溫結(jié)束后進(jìn)行試驗(yàn)力加載，施加試驗(yàn)力過程中應(yīng)無振動(dòng)，加載速度不得大于500 N/s，并應(yīng)保證在1分鐘內(nèi)完成加載。卸載時(shí)建議設(shè)備自動(dòng)卸載，卸載過程中速率不宜太快，應(yīng)平穩(wěn)無振動(dòng)，卸載時(shí)卸除試驗(yàn)載荷，在初負(fù)荷條件、試驗(yàn)溫度下應(yīng)至少保溫5小時(shí)，直至變形測(cè)量裝置讀數(shù)無明顯變化為止，停止試驗(yàn)［4］。

通過改進(jìn)后的試驗(yàn)方法進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果重復(fù)性大幅提高，不同實(shí)驗(yàn)室間根據(jù)細(xì)化后的方法進(jìn)行試驗(yàn)獲得的蠕變結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

（1）薄板試樣的尺寸偏差和加工薄板試樣的尺寸偏差和加工，試驗(yàn)高溫爐的穩(wěn)定性和均溫區(qū)較小，薄板蠕變與工裝夾具的連接，安裝引伸計(jì)后變形同軸度的調(diào)節(jié)等因素對(duì)蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果的影響較大。

（2）通過對(duì)蠕變?cè)嚇蛹庸?、工裝夾具和同軸度調(diào)節(jié)的嚴(yán)格要求，薄板蠕變測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性大幅提高。