工业纯钛TA2室温蠕变条件下裂纹尖端的参量表征与估算

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1、第44卷第5期稀有金属材料与工程Vol.44,No.52015年5月RAREMETALMATERIALSANDENGINEERINGMay2015工业纯钛TA2室温蠕变条件下裂纹尖端的参量表征与估算代巧，周昌玉，彭剑，杨志锋，贺小华，於孝春(南京工业大学，江苏南京211816)摘要：通过试验、理论分析和有限元模拟对工业纯钛TA2室温蠕变条件下裂纹尖端应力应变场的参量表征及估算进行了研究。试验研究表明，在室温条件下，工业纯钛TA2存在明显的第1阶段蠕变现象。理论分析和有限元模拟表明，对TA2裂纹体进行保载时

2、，裂纹尖端的应力应变场为HRR场，提出采用与时间相关的J积分来表征，并给出了估算方法。通过有限元计算，获得了TA2室温蠕变条件下CT试样的时间相关J积分值，论证了采用J积分来表征室温蠕变条件下TA2裂纹尖端应力应变场的合理性。将有限元计算与估算方法获得的J积分进行了比较，验证了估算方法的有效性和准确性。关键词：工业纯钛TA2；室温蠕变；裂纹表征参量；J积分+中图法分类号：TG146.23文献标识码：A文章编号：1002-185X(2015)05-1154-05钛材在室温条件下会产生显著的蠕变现象[1,2]

3、，其表1工业纯钛TA2的化学成分[3-5][6-8]Table1Compositionofcommerciallypuretitanium(ω/%)组织和性能及相关力学性能已引起广泛研究。TiFeCNHO在高应力水平下，工业纯钛TA2室温蠕变表现为第1>990.080.020.010.0010.13[9-11]阶段蠕变规律。因而在TA2裂纹尖端的高应力区，将以第1阶段蠕变的形式产生与时间相关的变形，可的恒应变速率，试验温度控制在19±1℃，获得的TA2[12]能导致蠕变裂纹扩展。因此，需要寻求合理的参量常

4、规力学性能见表2。来表征室温蠕变条件下TA2裂纹尖端的应力应变场，参照GB/T2039-1997[14]《金属拉伸蠕变及持久试用于预测TA2室温蠕变裂纹扩展。验方法》对TA2板状试样进行室温蠕变试验。在本研究首先通过试验来验证室温条件下工业纯钛19±1℃范围内，采用不同应力水平对试样进行保载，TA2存在明显的第1阶段蠕变现象，然后对TA2裂纹获得了蠕变应变随时间的变化，如图1所示。结果表尖端的应力应变场进行分析，提出采用与时间相关的明，在一定载荷下，试样的蠕变应变随时间的延长不J积分表征形式，并给出估算方

5、法。与此同时，对TA2断增加，但增加的速率不断减小，此为典型的第1阶室温蠕变条件下的CT试样进行有限元分析，获取与段蠕变现象。当所加载荷小于0.7σs时，由于测量精度时间相关的J积分值，论证采用J积分表征室温蠕变及温度的影响，未能检测出明显的第1阶段蠕变现象。条件下TA2裂纹尖端应力应变场的合理性。最后对估本研究试验结果与文献[9-11]有关工业纯钛室温蠕变算方法结果的准确性进行分析和验证。试验的结果一致。蠕变应变速率可采用时间硬化方1拉伸和室温蠕变试验程表示为应力、时间的关系式：nmAt（1

6、）采用MTS880试验系统对工业纯钛TA2进行拉伸试验和室温蠕变试验，分别获取其常规力学性能和表2TA2材料的常规力学性能室温蠕变性能参数。工业纯钛TA2的化学成分如表1Table2Mechanicalpropertiesofcommerciallypuretitanium所示。Young'smodulus,Yieldstrength,Tensilestrength,Elongation,[13]E/MPaσs/MPaσb/MPaδ/%根据GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》，对TA2板状

7、试样进行拉伸试验。采用5×10-4s-1111556232.60449.0045.14收稿日期：2014-05-17基金项目：国家自然科学基金（51075199）；江苏省研究生科研创新计划（CXZZ11_0341）作者简介：代巧，女，1986年生，博士生，南京工业大学机械与动力工程学院，江苏南京211816，电话：025-58139951，E-mail:daiqiao@126.com第5期代巧等：工业纯钛TA2室温蠕变条件下裂纹尖端的参量表征与估算·1155·0.08242MPa228MPaCreepzo

8、ne208MPay0.06193MPa160MPax0.04Plasticzone0.02图2保载下裂纹尖端的变形行为0.00Fig.2Deformationbehaviornearacracktipduringaload-0300000600000900000holdsequencet/s[12]图1不同应力水平下TA2室温蠕变应变随时间的变化2种状态之间，J可被认为接近路径无关。Fig.1Variationofroom-