钛合金薄板蠕变性能测试影响因素研究

石科学，张浩，苟曼曼

（西安汉唐分析检测有限公司， 陕西西安 710016）

钛合金具有较好的综合力学性能，优良的锻造工艺性能，且热处理工艺简单易行，耐高温，焊接性能优良，主要用于制造高性能飞行器的重要构件。由于钛合金薄板材被广泛用于构件的关键部位，是结构体的主要承压和承热材料，高温蠕变性能是决定钛合金结构部件质量的关键。

由于航空用钛合金薄板（0.5 mm～4 mm厚度）的拉伸蠕变性能对样品尺寸、试验温度、测量器具，设备精度具有高度敏感性，依照GB/T 2039-2012《金属材料单轴拉伸蠕变试验方法》［1］对钛合金薄板进行拉伸蠕变性能检测，在满足实验条件的情况下，检测结果差异性较大，不能够反映材料的真实性能，不利于产品性能的提高。因此本文针对航空用钛合金薄板的拉伸蠕变性能测试细节，对于标准中未明确规定的试验因素进行确认，解决实验结果差异性大等技术缺陷，从而提高检测结果的准确性。

1 测量原理

通过长时间的恒温和恒应力作用，金属材料发生缓慢的塑性变形，蠕变变形测量采用双侧引伸计或非接触式引伸计，根据试验要求进行多步控制获得蠕变变形量、应力、温度随时间变化的原始数据，如图1所示给出了高温条件下应变量和时间关系曲线，根据蠕变试验标准给出的不同蠕变性能指标公式计算获得相关结果。

2 影响测试原因分析

2.1 试验过程中高温炉的影响

现有板材蠕变标准GB/T 2039-2012中规定温度不大于600℃时温差和温度梯度允许偏差为±3℃，试验温度位于600℃～800℃时允许偏差为4℃。应当按照标准定期对高温炉和仪表进行校准，保证试验时温度满足标准要求。同时板材试样样品原始标距长度100mm，试验过程中需要炉子均温区尽量大，试验过程中试样在高温应力作用下会发生变形，同时装样时应尽量把样品装在高温炉的均温区的中心位置。

2.2 薄板试样尺寸及加工

因为薄板样品厚度尺寸和机加工宽度对结果影响较大，板材试样厚度不进行加工，按照标准规定横截面面积应取样品横截面积的平均值，如果标距范围内板材厚度差异较大，那么厚度较小处容易先发生变形而不是标距范围内均匀变形。这种情况下应对板材试样进行打磨处理或重新取样加工，避免因为试样厚度不均匀导致测试结果出现偏差。同时加工样品时应保证试样两端台阶平行对称，试样两端孔中心位置与试样中轴线对齐。

2.3 试验机同轴度及工装夹具

试验机的同轴度对薄板材的蠕变结果影响很大，试验证明相同条件下同轴度较差的试验机测试获得的试验结果差异特别大［2］。在进行试样安装时应注意板材工装夹具与样品的安装，夹具与工装配合不紧密时容易造成板材受力不在试验机轴心上，销钉不合适时容易造成板材试样孔位置发生变形，从而影响蠕变试验结果［3］。

3 测试方法改进

在提高试验机、高温炉和引伸计精度的情况下，试验过程中应当重点对样品和工装夹具进行详细的规定，避免试验过程中样品和工装夹具等因素对蠕变试验结果的影响。

3.1 试样加工

由于蠕变试验对薄板试样的加工精度要求较高，加工时应首先检查薄板厚度尺寸是否满足标准公差要求，如不满足应当进行打磨直至满足要求，试样表面粗糙度Ra不应大于0.4μm。样品加工建议采用线切割方式加工，这样能够保证试样两端凸台平行对称，对板材试样打孔时应保证孔中心位置位于试样中轴线上，要求薄板试样两端销孔中心连线与试样中轴线的偏移量不应超过0.05 mm。这样加工有助于样品在安装引伸杆测量变形过程中同轴度的调节，测量装样前应对试样表面进行清洗去除表面油污。

3.2 工装夹具

薄板试样采用销孔方式与试验机连接，选用合适的板材夹具，保证试样与槽两侧总间隙不超过0.5mm，如果试样与槽两侧间隙过大应在两侧添加厚度相同的垫片保证试样在试验机中轴线上，间隙差异较大时建议在板材试样两端焊接垫片或加工合适的工装夹具再进行试验，销钉应与板材销孔紧密配合。

3.3 试样变形测量同轴度调节

试验时变形测量引伸计安装完成后，在室温下进行同轴度调节，调节时要求在弹性变形阶段调整试样安装同轴度，建议在确定材料性能的前提下，同轴度调整施加载荷可以达到试验力的80%。从而能够确保两侧变形测量的均匀一致。试样同轴度为两侧弹性变形阶段变形量与平均值之差除以平均值，要求同轴度不大于10%，如果不满足要求则需要对引伸杆和试样进行微调或重新安装直至满足要求。

3.4 保温、加载和卸载

试验时规定保温时间不应小于1 小时。保温结束后进行试验力加载，施加试验力过程中应无振动，加载速度不得大于500 N/s，并应保证在1分钟内完成加载。卸载时建议设备自动卸载，卸载过程中速率不宜太快，应平稳无振动，卸载时卸除试验载荷，在初负荷条件、试验温度下应至少保温5小时，直至变形测量装置读数无明显变化为止，停止试验［4］。

通过改进后的试验方法进行蠕变试验，获得的数据结果重复性大幅提高，不同实验室间根据细化后的方法进行试验获得的蠕变结果基本一致。

4 结论

（1）薄板试样的尺寸偏差和加工薄板试样的尺寸偏差和加工，试验高温炉的稳定性和均温区较小，薄板蠕变与工装夹具的连接，安装引伸计后变形同轴度的调节等因素对蠕变试验结果的影响较大。

（2）通过对蠕变试样加工、工装夹具和同轴度调节的严格要求，薄板蠕变测试结果的稳定性大幅提高。