低弹钛合金弹性模量的无损评价.pdf

　３６　　　　材料工程／２０１０年６期　　　低弹钛合金弹性模量的无损评价　　　　　　　Ｎ０ｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆＥｌａｓｔｉｃＰｒｏｐｅｒｔｙｏｆＴｉｔａｎｉｕｍ　　　　　　ＡｌｌｏｙｗｉｔｈＬｏｗＥｌａｓｔｉｃＭｏｄｕｌｕｓ李　　　萍，郝静燕，赵　　　　杰，段洪涛　　　　　　　　　　　（大连理工大学材料科学与工程学院，辽宁大连１１６０２４）　　—　　—　ＬＩＰｉｎｇ，ＨＡ０Ｊｉｎｇｙａｎ，ＺＨＡＯＪｉｅ，ＤＵＡＮＨｏｎｇｔａｏ　　　　　　　　（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　　　ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ１１６０２４，Ｌｉａｏｎｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　摘要：以掠入射纵波法研究了超声波在Ｔｉ６Ａ１４Ｖ合金和Ｔｉ２７Ｎｂ８Ｚｒ时效样品中的传播速度，推算其弹性模量，并与拉伸　　　　　　　　　　　　　　　法获得的弹性模量进行比较。结果发现：两种方法测得的数值较为接近，相差仅为３．６，表明掠入射纵波法实现低弹　　　　　　　钛合金弹性模量的无损评价是可行的，这为小尺寸稀有合金样品弹性指标的评价提供厂极有价值的测试方法。应用该　　　　　　　　　　　　　　方法进一步考察了时效温度对Ｔｉｌ８ＮｂＴＺｒ弹性模量的影响，结果表明：随着时效温度的升高，弹性模量Ｅ，切变模量Ｇ，　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　体弹模量Ｋ分别增加１１，１ｏ和６，泊松比仅下降了１．２。分析认为：弹性模量的变化与合金的组织由层片状　　　　　　　的口＋向弥散分布的ａ相和８相的转变密切相关。　　　　　　　　关键词：低弹钛合金；声速；掠入射纵波法；弹性模量　　中图分类号：ＴＧ１４　　文献标识码：Ａ　　—　文章编号：１Ｏ（）ｌｌｒ４３８１（２０１０）０６００３６－０４　　　　　　　　　　　　　—　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓｏｆＴｉ６Ａ１４ＶａｎｄＴｉ２７Ｎｂ８Ｚｒａｇｉｎｇｓａｍｐｌｅｓｗｅｒｅｍｅａｓｕｒｅｄｂｙｌｏｎｇｉ　　　　　　　　　　　　　ｔｕｄｉｎａｌｇｒａｚｉｎｇｉｎｃｉｄｅｎｃｅｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓｗｅｒｅｄｅｄｕｃｅｄａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｏｓｅｏｂｔａｉｎｅｄ　　　　　　　　　　　　　　　　ｂｙｍｅａｎｓｏｆｔｅｎｓｉｌｅｍｅｔｈｏｄ．Ｉｔｗａｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｓｅｔｗｏｍｅｔｈｏｄｓｓｈｏｗｅｄｃｏｍｐａｒａｂｌｅｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅ　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｃｈａｎｇｉｎｇｒａｎｇｅｗａｓｏｎｌｙ３．６，ｗｈｉｃｈｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｉｔｗａｓｆｅａｓｉｂｌｅｔｏｅｖａｌｕａｔｅｔｈｅｅｌａｓｔｉｃｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆ　　　　　　　　　　　　　　　ｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｗｉｔｈｌＯＷｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓｂｙｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｇｒａｚｉｎｇｉｎｃｉｄｅｎｃｅｍｅｔｈｏｄ．Ｉｔｉｓｖａｌｕａｂｌｅｆｏｒｔｈｅ　　　　　　　　　　　　　　　　　ｅｌａｓｔｉｃｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｒａｒｅａｌｌｏｙｗｉｔｈｓｍａｌｌｄｉｍｅｎｓｉｏｎ．Ｅｆｆｅｃｔｏｆａｇｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎｔｈｅｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓｏｆ　　　　　　　　　　　　　　　Ｔｉ１８ＮｂＴＺｒｗａｓｏｂｓｅｒｖｅｄｂｙｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔ，ｗｉｔｈｍｕｃｈｈｉｇｈｅｒａｇｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓＥ，ｓｈｅａｒｍｏｄｕｌｕｓＧａｎｄｂｕｌｋｍｏｄｕｌｕｓＫｉｎｃｒｅａｓｅｄ１１，１０ａｎｄ６ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｗｈｅｒｅａｓ，’　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ＰｏｉｓｓｏｎＳｒａｔｉｏｄｏｎｌｙｄｅｃｒｅａｓｅｄ１．２．Ｉｔｉｓｔｈｏｕｇｈｔｔｈａｔｔｈｅｖａｒｉｅｄｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓｉｓｃｌｏｓｅｌｙｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅ　　　　　　　　　　　　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｒｏｍｌａｍｅｌｌａｒ＋ａｐｈａｓｅｔｏｄｉｓｐｅｒｓｅｄ０【ｐｈａｓｅａｎｄＢｐｈａｓｅ．　　　　　　　　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｗｉｔｈｌｏｗｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓ；ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｖｅｌｏｃｉｔｙ；ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｇｒａｚｉｎｇｉｎｃｉｄｅｎｃｅ　　ｍｅｔｈｏｄ；ｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓ　　　　　　　　　弹性模量是描述弹性阶段材料力学行为的性能指　　　　　　　　标，是表征材料力学特性的重要参数之一，决定了材料一　　　　　　　　　系列的物理力学性能【】］。利用材料的弹性模量可以　　　　　　　　确定构件的刚度，推测材料的强度、硬度等力学性能。　　以钛、铌、锆等稀有元素制备的近Ｇ型低弹钛合金　　　　　　　　　　　　　因具有很好的热处理强化效果、良好的抗蠕变性能及　　　成型性，成为钛合金研究与开发中最具活力的热点之一，　　　　　　　　　　　并且被广泛应用于军事、商业、航天及医药等重要　　　领域］。现有的文献中关于钛合金弹性模量的测量大　　　　　　　　　　　　　多是通过计算拉伸应力一应变曲线上弹性变形段的斜　　　　　　　　　　　　率得到的＿３］，由于拉伸试验用试样尺寸一般比较大，　　　　　　　　　　　　　　　　实验方法具有破坏性，这将造成资源的巨大浪费。因　　　　　　　　　　此，有必要研究钛合金弹性模量的无损评价。　　　　　　　　本工作介绍了一种适用于小尺寸钛合金弹性模量　　　　　　　　　　　测量的方法，利用该方法测得Ｔｉ６Ａ１４Ｖ和不同时效温　　　　　　　　　　　度下Ｔｉ２７Ｎｂ８Ｚｒ的弹性模量，将其与拉伸法测量结果　　　进行比较。应用该方法进一步测量不同时效温度下　　　　　　　　　Ｔｉ１８Ｎｂ７Ｚｒ的弹性模量，结合金相组织分析讨论弹性　　　　指标的变化。　　　　ｌ实验　　　　１．１试样的制备　　　　　　　　　　实验用Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ和Ｔｉ２７Ｎｂ８Ｚｒ试样均由工厂提　　　低弹钛合金弹性模量的无损评价　３７　　　　　　　　　　　　　供。Ｔｉ６Ａ１４Ｖ加工工艺为凝壳铸态一热轧一拉棒材一℃　　　　　　　７００退火，Ｔｉ２７ＮｂＳＺｒ加工工艺为熔炼一热轧一固溶一时　　　效处理。　　　　　　　　　　　　　　将海绵钛、纯铌板、海绵锆等原材料在有氩气保护　　　　　　　　　　　的真空非自耗电弧炉中熔炼３～４次得到Ｔｎ８Ｎｂ７Ｚｒ　　　　　　　　　　　　　合金。因铸造应力的存在，可能导致性能不稳定，故对　　　　　　　　　　℃　　　　试样进行固溶处理，即将试样在８００保温５０～　　　　　　　　　　　　　　６０ｍｉｎ，然后水淬。为进一步提高合金的强度，继续对　　　　固溶合金进行了时效处理。将固溶处理的试样分别在℃　　　　　３５０，４５０，５５０温度下时效１２ｈ，然后在空气中冷却。　　　　　　　　　　　　　　　　　所有热处理过程均在井式真空加热炉中进行，充氩气　　保护。　　　　　　　　　　　　　将经过时效处理的Ｔｉｌ８Ｎｂ７Ｚｒ合金切取并加工　　成尺寸为３ｍｍ×　　　　　　　　　　　９ｍｍ的圆柱体，对上下表面进行磨　　削和抛光使其平行，用于超声波速度测量。　　　　　　　１．２小尺寸样品弹性模量的测量　　　　　　　　　　　　　　　金属材料一般可以看作各向同性的连续介质，由　　　　　　　　　　　　　　于在样品中传播的超声波可视为弹性波，当它的波长　　　　　　　　　　　　　　　　　远小于材料的尺寸时，可把材料看作无限大的弹性介　　　　质。依据声波在各向同性、连续均匀固体介质中的传　　　　　　　　　播规律，可推得样品的弹性指标］：　　Ｅ一　—ｌ　Ｖ　—　　Ｇｐ　　　Ｋ一一警）　（１）　（２）　（３）一　　　—　　　（｝一２）／（２（ｖｆ））　（４）　　　　　　　　　　　　　　　　　其中：．０为样品的密度；为纵波声速；为横波声速；Ｅ　　　　　为弹性模量；Ｇ为剪切模量；Ｋ为体弹性模量；为泊　　松比。　　　　　　　　　　由公式（１）～（４）可知，只要确定了声速，利用密度　　　　　　　　　　　　和速度即可计算弹性模量（Ｅ）、剪切模量（Ｇ）、体弹性　　　　　　模量（Ｋ）和泊松比（）。　　　１．２．１掠入射纵波法测量超声波的传播速度　　　　　　　　　　　　　　如图１所示，圆柱形试样长为Ｌ，直径为Ｄ，实验　　　　　　　　　　　　采用单发单收的超声脉冲反射法。声脉冲在棒中的传　　　　　　　　播路径如图１所示ｌｇ。　　　　　　　　　　　样品端部靠近侧边的纵波直探头激发的沿侧壁传　　　　　播的纵波Ｐ称为掠入射纵波，现代声学理论和实验证　　　　　　　　　　　　　　　实，Ｐ，将产生以第三ｆ临界角０传播的横波ＳＶ，称为临　　　　　　　　　　　　　　　　　界入射横波口。入射到另一侧壁的ＳＶ波也反射出　　　　　　　　　　　　　　　　　　　沿侧壁爬行的纵波Ｐ，它也以纵波声速沿侧壁传　　　　　　　　　　　　　　　　播。同掠入射纵波Ｐ相比，迟到声程为ｚ（横波的传　　　　　　　　　　　　播声程为ｌｓｉｎＯ），延迟时间为ｒ，延迟声程ｚ＝＝＝２）１ｒ。结　　　　　　　　　合反射定律ｕ一ｓｉｎＯ，可以推出横波声速的表达式　　　　　图１掠入射纵波在棒中的传播路径示意图　　　　　　　　Ｆｉｇ．１Ｇｒａｚｉｎｇｉｎｃｉｄｅｎｃｅｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｗａｖｅｉｎｃｙｌｉｎｄｅｒ　　为：　　　７Ｊｓ＝＝＝＿：　　　　　　　　一＿＝＝。　（５）　　√　　叭１＋（）　　　　１．２．２密度测量　　　　　　　　　　　室温下基于阿基米德原理，采用精度为０．１ｍｇ的　　　　　　　　　　　　　电子天平测量各个试样的密度。每个试样反复测量３　　　　　　次，求得其平均值。　　　　　　　　　　　　　　　　考虑到实验所用试样直径较小，聚焦探头具有改　　　　　　　　　　　　　　　　　善声束指向性与提高声能等方面的特性，故采用超声　　　　　　　　　水浸聚焦法测量声速。此外，实验采用标称频率为　　　　　　　　　　　　　５ＭＨｚ的超声波纵波探头，焦斑直径不超过０．６ｍｍ，　　　　　　　　　　　　故每个样品上可以测量６点，所得结果取平均值。　　２结果与讨论　　　　　　　　　２．１基于声速法和拉伸法测量弹性模量　　　　　　　　　　　　　　应用１．２介绍的方法测量超声波在Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ和　　　Ｔｉ２７Ｎｂ８Ｚｒ时效样品中传播速度，利用公式（１）～（４）　　　　　　　　　　　　　　推算其弹性模量，另采用常规的拉伸试验法获得上述　　　　　　　　　　　　　　　样品的弹性模量。为便于比较，测试结果一并显示在　　　　　　　　　　　　图２，３上。从图２，３可以看出两种方法的测试结果较　　　　　　　　　　　　　　　为接近，相差不超过３．６，且声速法测得的动态弹性　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　模量略大于拉伸法测得的静态弹性模量，这与文献　　　　　　　　　　　　　　［１１］中的结论一致，因此采用纵波掠入射法无损评价　　　　　　　Ｔｉ合金弹性模量是可行的。　　　　　　　　　　２．２时效温度对Ｔｉｌ８Ｎｂ７Ｚｒ合金微观组织的影响　　　　　　　　　　　Ｔｉ１８Ｎｂ７ｚｒ钛合金的ＸＲＤ图谱与微观组织如图　　　　　　　　”　　　　４，５所示。固溶处理后的微观组织由Ｂ＋ａ相组成；随　　　　　　　　”　　　　　℃　后的时效过程中，亚稳定相＋ａ进一步分解。３５０　　　　　　　　　　　　　　　　　时效，亚稳８相分解为无数极小的溶质原子贫化区和　　　　　其相邻的溶质原子富化区，富转变为稳定的ｐ相邶贫　　　　　　　　　”　　　中有针状的ａ相形核长大；与此同时，ａ相发生快速分　　　　　　”　　　　　　”　解，先析出ａ相，使中的稳定元素富化，变成ａ目，然　　　　　后转变成亚稳态的口相，对应该温度下的时效组织为　　　　　　　　　　　　　　　℃　　　层片状的ｌ３＋ａ；进一步提高时效温度至４５０，先期　　　　　　　　　　　　低弹钛合金弹性模量的无损评价　３９　　Ａｇｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ／．　堂　０　器　０　　　　　　图６弹性模量随时效温度的变化规律　　　　　　　　　Ｆｉｇ．６Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｏｆｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓａｎｄａｇｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　　　　　　　　　　　　慢递增的趋势，泊松比变化相反。整个时效过程中，弹　　　　　　　　　　　　　　　　　性模量Ｅ、切变模量Ｇ、体弹模量Ｋ分别增加１１，　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１Ｏ和６，而泊松比几乎未发生变化，仅降低　　　１．２。　　　　　　　　　　　　　　　　对应不同时效温度的微观组织虽然均由Ｇ＋ａ相　　　　　　　　　　　　　组成，但其形态差别较大。文献［１３］指出：钛合金的弹　　　性模量与合金所含相的种类、含量以及形态密切相关。　　　　　　　　　　　　　基于此，分析认为：时效过程中，Ｔｉｌ８Ｎｂ７Ｚｒ合金弹性　　　　　　　　　　　　　　模量的变化主要是由于不同时效温度下分解得到的相　　　　　　　　　　　　　的形态存在差异。根据Ｏｒｏｗａｎ的弥散强化理论ｌ】，　　　　　　　　　　　　　　　弥散分布的ａ＋ｐ相具有比层片状＋组织更高的硬　　　　　　　　　　　　　　　　　度，鉴于时效合金的强度和硬度及弹性模量之间有相　　　　　　　　　　　　　　同的变化趋势口引，可以推断：实验条件下，微观组织由　　　　　　　　　　　　　弥散分布的ａ＋Ｇ相组成的Ｔｉ１８Ｎｂ７Ｚｒ合金弹性模量　　　　　　　　　　　　较高。即时效温度升高时，弹性模量值增加。　　　３结论　　　　　　　　　　　（１）通过用声速法和拉伸法分别对Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ和不　　　　　　　　　　　同时效温度下Ｔｉ２７Ｎｂ８Ｚｒ的弹性模量进行测量，比较　　　　　　　　　　　　　　　　　　　发现：两种方法的测试结果较为接近，相差不超过　　　　　　　　　　　　　　３．６，且声速法测得的动态弹性模量略大于拉伸法测　　　　　　　　　　　　　　　　　得的静态弹性模量，因此纵波掠入射法无损评价钛合　　　　　　　　　　　　　　　　　金弹性模量是可行的，这为小尺寸稀有合金样品弹性　　　　　　　　　　　指标的评价提供了极有价值的测试方法。　　　　　　　（２）用纵波掠入射法对不同时效温度下Ｔｉｌ８Ｎｂ７Ｚｒ　　　　　合金进行测量，结果表明：随着时效温度的升高，弹性　　　　　　　　　　　　　　模量Ｅ，切变模量Ｇ，体弹模量Ｋ分别增加１１％，１０　　　　　　　　　　　　　　　　　和６，泊松比ｄ仅下降了１．２。分析认为：弹性指　　　　　　　　　　　　　　标的变化与合金的组织由层片状的８＋ａ变为弥散分　　　　　　　布ａ相和Ｇ相密切相关。　参考文献　　　　　［１］宋文远，王文明．金属基复合材料弹性模量的研究现状［Ｊ］．材料　　　　导报，２００６，２０：４１６４１９．　　　　　［２］于洋，刘伟．几种含铌低弹性模量钛合金组织与性能研究［Ｊ］．稀　　　　　　有金属，２００４，２８（２）：４１９４２０．　　　　　　　—　　——　　［３］张新平，于思荣，何镇明．新型ＴｉＦｅＭｏＭｎＮｂＺｒ系钛合金的　　　　　　力学性能口］．中国有色金属学报，２００２，１２：７８８２．　　　　　　　　［４］Ｅ１ＩＡＳＬＭ，ＳＣＨＮＥＩＤＥＲＳＧ，ＳＣＨＮＥＩＤＥＲＳ．Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　　　　　　　　—　ａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉ０ｎｏｆｂｉｏｍｅｄｉｃａｌＴｉＮｂＺｒ（一Ｔａ）ａｌ　　　　—　ｌｏｙｓ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡ，２００６，４３２：１０８　１１２．　　　　　　　　　　　　　’　［５］ＨＡＯＹＬ，ＬＩＳＪ，ＳＵＮＳＹ．ＥｆｆｅｃｔｏｆＺｒａｎｄＳｎｏｎＹｏｕｎｇＳ　　　　　　—　　　ｍｏｄｕｌｕｓａｎｄｓｕｐｅｒｅｌａｓｔｉｃｉｙ０ｆＴｉＮｂｂａｓｅｄａｌｌｏｙｓ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　　　　—　　ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡ，２００６，４４１：１１２１１８．　　　　　　　Ｅ６］贾庆卫，宁聪琴，丁冬雁．低弹性模量骨科植入物材料８钛合金的　　　　　　　　　　　　　　—　研制与实验研究ｌＪ］．中国矫形外科杂志，２００８，１６：２１４２１８．　　　　　［７］张志辉，王希哲，商顺利．加工工艺对高弹高强钛合金弹性模量的　　—　影响＿Ｊ］．稀有金属，２００１，２５：１９２２．　　　　　　　　［８］ＢＡ奥特尔．固体中的声场和波［Ｍ３．孙承平译．北京：科学出版　　　　社，１９８２．３７６３７８．　　　　　　　　　　　　Ｅ９］李丽．Ｃｕｚｒ＿Ａｌ系Ｃｕ基块状非晶合金弹性性能超声无损评价　　—　［Ｄ］．大连：大连理工大学，２００７．２０２１．　　　　　　　　［１Ｏ］陈以方，张家骏．超声检测工件弹性模量的研究ＥＪ］．无损检测，　　　１９９７，１９（９）：２４１２４４．　　　　　　［１１］冯若．超声手册［Ｍ］．南京：南京大学出版社，１９９９．　　　　　　　　　　　　　　　　　［１２］陈驿殷．材料物理性能［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００６．　　　２４４２４８．　　　　　　　　［１３］薛松海．生物工程用低弹性模量钛合金组织与性能的研究［Ｄ］．　　　沈阳：机械科学研究院，２００６．　　　　　　　　［１４］徐祖耀，李鹏兴．材料科学导论［Ｍ］．上海：上海科学技术出版　—　　社，１９８６．５９８６０８．　　　　　　　　［１５］耿浩然．铸造钛、轴承合金［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００７．　　　　　　　　——　收稿日期：２００９０６１５；修订日期：２０１００２２０　　　　　　　　　作者简介：李萍（１９６９一），女，副教授，在职博士，主要从事材料无损检　　　　　　　　　　　　　测与评价，联系地址：大连理工大学材料科学与工程学院（１１６０２４），—　　Ｅｍａｉｌ：１ｉｐｉｎｇ６９＠ｄｌｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ　　∽　　　日０＼ｎ１Ｔ１口０暑Ｂ１叫