发布日期：2025-11-2 19:21:25
当下，合金材料正向轻质、高强度、高模量的方向发展。钛及其合金因其密度小、比强度高、耐腐蚀性优良、热强性好等优点[1]，在航空航天及海洋工程领域得到广泛应用。目前,针对钛合金材料的蠕变行为研究主要为高温蠕变行为，其机理主要是通过高温诱导扩散发生蠕变。而在室温条件下，类似的扩散现象并不能产生,因此蠕变现象主要通过应力诱导发生2。钛合金虽然具有一系列显著优点，但却始终存在着一个难以被忽视的问题,即钛合金在室温下的蠕变行为会影响结构件的尺寸精度，影响结构件安全有效的服役。随着钛合金在深海装备上的广泛应用，深海设备耐压结构的选材也逐步放弃高强钢，选用比强度高、低磁性以及耐腐蚀好的钛合金。深潜设备的作业温度虽不高，但深海作业环境下较大的压应力将会使耐压结构部件发生不同程度的蠕变变形，从而导致构件强度下降，甚至引发失效。随着各种海洋活动日益增多，对常温高压下的钛合金压缩蠕变性能的研究显得十分有必要[3]。
钛合金具有明显的拉压不对称性,拉压不对称的存在使得钛合金在工程应用过程中并不能通过拉伸或拉伸蠕变行为来判断合金压缩或压缩蠕变行为的具体情况[4],因此钛合金材料的压缩蠕变行为并不能通过拉伸蠕变行为作简单类比。目前，针对钛合金材料以及构件在常温下的蠕变研究主要集中在拉伸蠕变方面，而针对结构的压缩蠕变性能研究相对较少,研究发现,经过一段时间蠕变后常温低应力条件下的钛合金蠕变变形会趋于饱和，之后不会再发生较为明显的蠕变，这一现象被称为蠕变饱和;研究还发现钛合金材料的蠕变存在应力阈值，常温下的蠕变在低应力水平时仅出现了蠕变第1阶段减速蠕变阶段,当第1阶段结束时蠕变速率趋近于0不会进入第2阶段，只有当应力水平较高时才会出现稳态阶段。
钛合金在常温下的压缩蠕变需要有较高的外加应力才能继续进行。当外加应力小于应力阈值时，则没有稳态蠕变出现，只有初始蠕变[5]。只有当蠕变应力不小于屈服强度o，的0.85倍时才能观察到Ti-6Al-4V较为明显的室温蠕变[6],且室温蠕变效应随着蠕变应力水平的提高而增大。常温下钛合金压缩蠕变存在应力临界值
本研究通过对TC4钛合金室温压缩蠕变试验，分析针对试验加工精度差异及试验加载方式下压缩蠕变试验结果准确性及稳定性，系统性地研究了试样尺寸、端面平面度、加载方式(压盘类型)和变形测量方法等多个因素对室温压缩蠕变试验结果准确性的影响,旨在识别并排除非材料本征行为导致的试验误差。通过实验验证，在合理的参数范围内试样尺寸(长径比和直径)对试验结果均无显著影响，为试样尺寸选择提供了更灵活的依据;论证了平面度的决定性作用;明确指出试样端面平面度是影响试验结果的核心与前提，验证了球形压盘在补偿端面加工误差、提高试验容错率方面的有效性;验证了四光栅尺测量方法在识别不均匀变形、避免误判方面的必要性，为开发压缩蠕变试验方法、量化试验过程影响因素提供参考。
1、试验部分
1.1试验材料
试验材料为TC4钛合金,取自一根∅20mm的圆棒,于试棒中心取样并制取圆柱形压缩蠕变试样,依照GB/T4698.29-2024《海绵钛、钛及钛合金化学分析方法第29部分:铝、碳、铬、铜、铁、锰、钼、镍、硅、锡、钒、锆含量的测定光电直读光谱法》分析其成分,其化学成分包括铝、钒等元素,符合标准GB/T 3620.1-2016中对材料的要求,见表1。
表1 TC4钛合金化学成分测定结果与标准要求的对比(质量分数)
| 项目 | Ti | Al | V | 0 | Fe | Nb | N | Si |
| 测定值 | 89.418 | 6.015 | 4.064 | 0.180 | 0.130 | 0.029 | 0.029 | 0.027 |
| 标准要求* | 5.50~6.75 | 3.5~4.5 | ≤0.20 | ≤0.30 | ≤0.10 | ≤0.05 | ≤0.10 |
*标准GB/T3620.1-2016。
1.2试验装置及参数
RD-100Y压缩蠕变持久试验机(长春科新试验仪器有限公司)为球形压盘;RD-100高温蠕变持久试验机(长春科新试验仪器有限公司)使用反力架装置,为平面压盘。球形压盘使用4支ST1288光栅尺(HEIDENHAIN)测量试样变形，分别位于0°、90°、180°、270°方向;反力架平面压盘使用2支ST1288光栅尺(HEIDENHAIN),分别位于0°、180°方向。光栅尺精度0.0005mm,试验环境为(25±5)℃,试验力加载速率为100N/s。
2、试验过程
为分析并探究室温压缩蠕变试验结果的影响因素，比较了不同长径比(试样长度与直径之比)、直径、平面度试样间试验结果的差异，同时比较了平面压盘及球形压盘的差异和光栅尺数量对试验结果的影响。
2.1长径比
多数材料在进行压缩试验时，试样两端部受其与试验机承压极间摩擦力的束缚、不能自由侧向膨胀而产生的对蠕变应变试验值的影响，称之为端部效应。适当增加长径比可以减少端部效应的影响，使试验结果值更符合材料自身性能;但长径比过大可能导致在测试过程中出现失稳现象，从而使测得的蠕变强度值偏低。一般来说，长径比的选择需要考虑试验设备的尺寸和能力范围。为便于对比分析试样应变曲线，各组试样保持相同长度，调整直径，分别控制长径比为2:1、1:1、1:1.5进行试验,结果见表2及图1。由表2可见,3种长径比对试样起始应变和蠕变应变的影响并不显著，说明在2:1~1:1.5范围内，长径比对压缩蠕变试验结果的影响可忽略不计;
由图1可见,3种长径比对试样应力-应变曲线的影响并不显著。
表2 3种长径比对压缩蠕变试验结果的影响
| 长径比 | 直径/mm | 起始应变/% | 蠕变应变/% |
| 2:1 | 6.00 | 1.115 | 0.013 |
| 1:1 | 12.00 | 1.101 | 0.015 |
| 1:1.5 | 18.00 | 1.118 | 0.013 |
2.2直径
通常情况下,较大直径更容易存在缺陷和不均匀性,可能会导致蠕变试验结果偏高;小直径试样可能由于表面效应和边缘效应，导致硬度值偏高，反而会使蠕变应变低于真实值。保持试样长径比为1:1，设置试样直径分别为6.00、9.00、12.00mm进行试验,结果见表3及图2。由表3可见,3种直径对试样起始应变和蠕变应变的影响并不显著，说明在试验范围内,长径比对压缩蠕变试验结果无影响;
由图2可见,3种直径对试样应力-应变曲线的影响并不显著。
表3 3种直径对压缩蠕变试验结果的影响
| 试样直径/mm | 起始应变/% | 蠕变应变/% |
| 6.00 | 1.071 | 0.018 |
| 9.00 | 1.083 | 0.017 |
| 12.00 | 1.061 | 0.020 |
2.3平面度
对于本研究使用的圆柱形试样而言,平面度为上下两底面之间最大距离与最小距离之差。在理想状况下，平面度为0,试验机上下压盘应与试样底面贴合,然而受加工误差及试样可能存在的内部缺陷影响，试样上下底面不能完全保证平行，导致试样受力不均匀，影响试验准确性，因此需量化平面度的公差范围。固定试样长径比和直径，依次增加试样一端端面倾斜程度得到不同平面度的对比试样,按一定角度磨削试样一端端面,控制试样平面度为0.01~0.06进行试验,结果如表4所示。由表4可见,随着试样平面度的增加，同轴度逐渐增大;当平面度为0.03时，试样同轴度无法保持在10%以内，此时，当平面度为0.03及以上时,一侧光栅尺变形测量为负值,且试样蠕变应变逐渐增加,偏离正常试样范围较大,这是由于试样端面无法紧密贴合压盘,造成试样只有一侧承受载荷,试验测得值为局部蠕变应变结果导致。
表4 平面度对压缩蠕变试验结果的影响
| 平面度(l=12mm) | 同轴度/% | 蠕变变形/mm | 蠕变应变/% |
| 0.00 | ≤5 | 0.0016 | 0.013 |
| 0.01 | ≤10 | 0.0016 | 0.013 |
| 0.02 | ≤10 | 0.0018 | 0.015 |
| 0.03 | ≤40 | 0.0034 | 0.028 |
| 0.04 | 0.0055 | 0.046 | |
| 0.06 | 0.0070 | 0.058 |
2.4压盘形式
球形压盘与平面压盘的主要区别在于:球形压盘上压盘可适当进行旋转，以贴合试样表面，而平面压盘则始终保持上下压盘平行。将比例与尺寸相同的试样分别使用球形压盘与平面压盘进行试验,结果见图3。由图3可见,由于压缩蠕变试验试验力为单轴加载，试验力加载方向与试样轴线重合，试验过程与结果均能保持一致。
2.5光栅尺数量
由图4可见，在使用4支光栅尺的情况下，可明显观察到各方向应变量的差异，其中0°与180°方向、90°与270°方向光栅尺分别对称安装在试样两侧，方向相互垂直。可明显看出，0°与180°方向同轴度较差，且其中一支光栅尺在试验过程中的变形量明显小于其他3支，在压缩蠕变试验中，并不能使同轴度同拉向试验在试验力的增载及保持时逐渐减小，反而可能使同轴度随试验进行逐渐变差。若只使用两支光栅尺，可能无法识别到这种情况的发生，影响试验的准确性。使用4支光栅尺，可将同轴度的检查与调整由单一方向拓展为全方向，极大增加了试验测量的准确性。
3、分析与讨论
Ti-6Al-4V合金的室温压缩蠕变机制主要是位错滑移和少量孪生。在蠕变过程中，硅的加入 [10]。对于α+β钛合金,首先是基面滑移最容易启动，其次是柱面滑移和锥面滑移，锥面滑移也对蠕变有较大贡献[11]。当应力施加过于集中时,更容易导致滑移的发生。TC4钛合金α+β双相钛合金，在不同相的边界上存在诸如内部屏障、内势垒等的蠕变阻力，在室温环境下没有足够的能量突破阻力，蠕变应变率和损伤演化速率会随着时间推移速率逐渐减少[12]。
理论分析表明,过小的长径比会因端部效应而高估材料强度,过大的长径比则可能引发失稳而导致结果偏低。然而，在本实验设定的参数范围内，起始应变与蠕变应变均未表现出显著差异。这一结果说明，在试验选取试样尺寸下，端部效应与失稳风险均得到了有效控制，其对试验结果的影响已被降至次要地位。因此，可以认为在此尺寸区间内进行试验，长径比和直径并非关键影响因素，这为试样尺寸的选择提供了一定的灵活性。
平面度被证实是影响试验结果的核心因素之。当试样平面度较差时，产生了两个显著的负面效应:首先,试样与压盘的同轴度急剧恶化,导致载荷施加偏离轴线;其次，蠕变应变读数出现异常，一侧光栅尺测量值为负，且整体蠕变应变值异常增高。这表明不平整的端面导致试样处于偏心受压状态，所测得的蠕变实质上是局部应力集中导致的非均匀变形，而非材料真实的蠕变特性。因此，严格控制试样平面度是保证试验数据有效性的前提。
对比球形压盘与平面压盘的试验结果，发现球形压盘在补偿试样端面缺陷方面的优势。对于平面度不佳的试样，球形压盘通过自适应改善了载荷的分布，使得在同轴度已显著恶化的情况下，测得的蠕变应变仍能维持在可接受的范围。这一机制有效缓解了因加工误差引入的系统误差。然而，当平面度超过其补偿能力时，球形压盘也无法纠正由此产生的严重偏差。因此，球形压盘可作为一种提高试验容错率的有效加载方式，但不能替代对试样平面度的基本要求。
实验观察发现,在压缩过程中,试样的同轴度可能不会自动改善,反而可能恶化,且变形在圆周方向上呈现不均匀性。若仅使用两支对称的光栅尺，可能会漏检垂直于测量平面的另一方向上的偏心变形,从而将局部的、不均匀的变形误判为材料的整体均匀蠕变。采用4支光栅尺的配置，实现了对试样全周向变形的监控，能够准确识别并量化这种不均匀性，从而有效避免了对试验结果的误判。这证明了多传感器测量系统在提升压缩蠕变试验，特别是识别和排除异常数据方面的必要性。
受变形机理影响,钛合金压缩蠕变试验对试样加工精度和试验系统对准稳定性要求极高,若在加载阶段就因应力施加失准而产生了局部应力集中，则会产生过高的初始变形，会得到错误的弹模参数，且初始塑性应变越大,对后续蠕变变形的抑制效果越明显，压缩加载方式会放大任何初始的偏心或不对中误差，导致结果严重失真甚至无效。相对而言，尺寸效应及不同长径比带来的端部效应对试验参数的影响则极为有限,在合理范围内均不会影响试验进行。
4、结论
(1)对于金属材料压缩蠕变试验，试样长径比、试样直径与试验结果无明显相关性,试样长径比范围在2:1~1:1.5之间经验证均可靠有效;
(2)球形压盘相比平面压盘对平面度的允差范围更大,球形压盘在一定范围内可以补偿平面度不足带来的误差,提高了试验装置的配合程度以及试验准确性。
(3)平面度对压缩蠕变试验控制极为重要,增加光栅尺数量可更加有效判断试样平面度优劣。未来的压缩蠕变试验标准应重点关注并明确规定试样的平面度公差，同时推荐使用球形压盘和多光栅尺测量系统，以全面提升试验数据的可靠性与准确性。
参考文献
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（注，原文标题：TC4钛合金压缩蠕变试验影响因素探讨）