利用蠕变试验测试钛合金高温弹性模量

李 荣, 李正佳, 苏丽凤, 许 陆, 武晶晶(西部金属材料股份有限公司, 宝鸡 721014)

利用蠕变试验测试钛合金高温弹性模量

李 荣, 李正佳, 苏丽凤, 许 陆, 武晶晶
(西部金属材料股份有限公司, 宝鸡 721014)

由于钛合金高温弹性模量的测试比较困难，一般设计和使用中多以经验和理论值作为依据，缺乏实际测试依据。对此，通过分析材料的弹性模量和蠕变试验特点，提出利用蠕变试验机测试钛合金高温弹性模量的试验方法，并通过BT25和TC4两种钛合金棒材在不同温度和应力下的蠕变试验测试其高温弹性模量。结果表明：利用蠕变试验机测得的钛合金高温弹性模量数据集中，且相比通过拉伸试验机测得的结果精度更高。

钛合金；高温弹性模量；蠕变试验；应力；应变

近年来，伴随着航空航天事业的发展，国内对高温合金的需求正日益增加，高温钛合金由于其比强度高的特点，在航空领域内得到广泛应用，尤其在航空发动机内应用高温钛合金可以减轻发动机质量，提高燃油输出功率，减小噪声。

高温弹性模量表示高温金属材料原子间结合力的程度，实际反应了在屈服之前材料抵抗变形的能力，在工程应用上有重要的作用。钛合金作为航空航天领域中的重要结构材料，其高温下的各项性能是材料评估和使用的关键指标。室温下材料弹性模量的测试较为容易，而在高温下，由于弹性滞后和蠕变行为，以及试验机精确度等因素的影响，一般的万能拉伸试验机不能或不容易准确测试材料的高温弹性模量。对此，笔者针对高温下材料的变形特点及蠕变试验的测试特点，对利用蠕变试验机测试钛合金高温弹性模量的方法进行了探讨。

1 试验原理与试验方法

1.1 试验原理

材料的弹性模量E主要取决于材料的晶格常数，一般情况下有：

E=k/

式中：k为材料常数；rm为晶格常数。

该公式体现了弹性模量主要表示原子离开平衡位置的难易程度，只取决于晶体原子结合的本性，不依晶粒大小以及组织变化而变，冷热加工和塑性变形均不会改变材料的弹性模量。同时由于材料的弹性模量是温度的敏感常数，因此只要在一定的温度下，准确测定试样所加应力及产生的相应弹性应变，就能依据弹性模量的定义求出材料在该温度下的弹性模量[1-2]。

蠕变试验主要是测定材料在一定温度下和一定时间内的塑性变形。在试验过程中，需要记录试样在一定应力下的总变形和塑性变形，其中总变形由弹性变形和塑性变形两部分组成。由于蠕变试样的长度一定且变形较小，于是有[3]：

式中：εt为蠕变总应变；εp为蠕变塑性应变；εe为蠕变弹性应变。

材料在蠕变试验过程中温度不会发生变化，产生较小的塑性变形，只要保持试验力一段时间后就可以规避弹性滞后，则试样所受的应力与在该应力下产生的应变之比就是材料在该温度下的弹性模量，即：

式中：σ为试样加载应力。

1.2 试验方法

1.2.1 试验控制

试验选择RD2型高温蠕变试验机，满足试验力值精度在±0.5%，同轴度偏差小于5%。调节试样上引伸计测量变形为40 μm时左右的偏差不大于1 μm。应力在对应温度材料屈服强度的80%以下，选用TC4和BT25两种钛合金棒材进行同温度下、不同时间和应力下的蠕变试验。

1.2.2 试验数据

TC4钛合金棒材在300 ℃和400 ℃时的屈服强度分别为610 MPa和573 MPa，选择小于屈服强度的试验应力和不规律的试验时间，其蠕变试验结果见表1。

BT25钛合金方棒材在450 ℃和550 ℃时的屈服强度分别为565 MPa和523 MPa，选择小于屈服强度的试验应力进行100 h蠕变试验，其蠕变试验结果见表2。

表1 300 ℃和400 ℃时TC4钛合金棒材的蠕变试验结果Tab.1 Creep test results of TC4 titanium alloy bars at 300 ℃ and 400 ℃

表2 450 ℃和550 ℃时BT25钛合金方棒材的蠕变试验结果Tab.2 Creep test results of BT25 titanium alloy rods at 450 ℃ and 550 ℃

1.2.3 数据处理

依据YB/T 5350-2006《金属材料高温弹性模量测量方法 圆盘振子法》[4]测试TC4钛合金棒材对应温度下的弹性模量ED。依据GB/T 228.2-2015《金属材料 拉伸试验 第2部分：高温试验方法》[5-6]，利用高温引伸计测试BT25钛合金棒材对应温度下的弹性模量EL。依据式(3)对试验数据进行处理，计算各温度下两种钛合金棒材的弹性模量E、平均值EJ和标准差s。

2 分析与讨论

TC4和BT25钛合金棒材的蠕变数据处理结果如表3～4所示。由结果可见，各组数值的标准差较小，即数值波动较小，因此在通过蠕变试验机测试钛合金的高温弹性模量时，试验结果不随时间和所加应力而发生变化，其各组试验数据表明通过此方法可以测试钛合金在高温下的一个弹性常数。

如表3所示，TC4钛合金在300 ℃和400 ℃的弹性模量ED分别为96 GPa和91 GPa，这与通过蠕变试验机测得的弹性模量平均值EJ的偏差为3.6%和3.7%，可见偏差较小。

如表4所示，BT25钛合金在450 ℃和550 ℃下的弹性模量EL分别为94 GPa和83.5 GPa，均比通过蠕变法得到的数值要小。这是由于在高温拉伸过程中，材料存在明显的蠕变变形过程，即测得的弹性变形数据包含弹性变形和部分蠕变塑性变形，进而引起弹性模量减小。因此推断，利用蠕变试验机测得的钛合金高温弹性模量比利用拉伸试验机测得的结果更接近真实值[7]。

表3 TC4钛合金的蠕变数据处理结果Tab.3 Processing results of creep data of the TC4 titanium alloy

表4 BT25钛合金的蠕变数据处理结果Tab.4 Processing results of creep data of the BT25 titanium alloy

3 结论

(1) 通过蠕变试验机测得的钛合金高温弹性模量数据集中，并能保证较高的精度。

(2) 由于蠕变行为的影响,利用拉伸试验机测得的钛合金高温弹性模量结果偏小，精度较低。

[1] 刘智恩.材料科学基础[M].2版.西安：西北工业大学出版社，2003.

[2] 郑修麟.材料的力学性能[M].西安：西北工业大学出版社,2004.

[3] GB/T 2039-2012 金属拉伸蠕变及持久试验方法[S].

[4] YB/T 5350-2006 金属材料高温弹性模量测量方法 圆盘振子法[S].

[5] GB/T 228.2-2015 金属材料 拉伸试验 第2部分：高温试验方法[S].

[6] 《理化检验-物理分册》编辑部.GB/T 228.2-2015《金属材料 拉伸试验 第2部分：高温试验方法》简介[J].理化检验-物理分册,2016,52(6):369-369.

[7] 张利军，薛祥义，张晨辉,等.TC11钛合金锻件中疑似夹杂物缺陷成因分析[J].理化检验-物理分册,2015,51(10):743-746.

Measurement of High-temperature Elastic Modulus of Titanium Alloys by Creep Tests

LI Rong, LI Zheng-jia, SU Li-feng, XU Lu, WU Jing-jing
(Western Metal Materials Co., Ltd., Baoji 721014, China)

Due to the difficulty in measuring the elastic modulus of titanium alloy at high temperature, it is usually based on empirical and theoretical values in the design and application. Based on the analysis of the elastic modulus and creep test characteristics of materials, a test method for measuring the high-temperature elastic modulus of titanium alloys by the creep testing machine was put forward. Through creep test data of two kinds of BT25 and TC4 titanium alloys under different temperature and stress, the high-temperature elastic modulus was obtained. The results show that: the data of high-temperature elastic modulus of titanium alloys obtained by the creep testing machine were concentrated, and the precision was better compared with those of the results obtained by tensile testing machines.

titanium alloy; high-temperature elastic modulus; creep test; stress; strain

2016-07-12

李 荣(1984-)，男，工程师，从事稀有金属检测及工艺评估，273647279@qq.com。

10.11973/lhjy-wl201703008

TG115.5+7

A

1001-4012(2017)03-0182-03