1、前言
鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐高溫和耐腐蝕等特點(diǎn)，是20世紀(jì)中葉發(fā)展起來(lái)的一類新型結(jié)構(gòu)材料，已在眾多領(lǐng)域特別是在航空、航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，隨著各國(guó)探索太空的競(jìng)爭(zhēng)，迫切需要能夠適應(yīng)太空低溫服役的環(huán)境材料。因此，鈦合金在宇航、超導(dǎo)等領(lǐng)域成為一種倍受關(guān)注的低溫工程材料。其中，鈦合金緊固件廣泛應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域中飛行器各個(gè)部件、結(jié)構(gòu)件的連接中，鈦合金緊固件的各種性能也因此對(duì)各類飛行器正常工作起著決定性的作用。
飛行器特殊的工作環(huán)境使鈦合金緊固件將處于低溫環(huán)境。在低溫環(huán)境及介質(zhì)條件下，材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)可能會(huì)有所改變，并引起材料的力學(xué)及物理性能發(fā)生變化。如果鈦合金緊固件在低溫環(huán)境中發(fā)生了影響材料性能的微觀組織變化，將加速緊固件失效，并對(duì)飛行器的安全造成極大的影響。因此，了解鈦合金緊固件在低溫環(huán)境條件下的力學(xué)特性變化，對(duì)飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和構(gòu)件的安全使用至關(guān)重要。目前，關(guān)于鈦合金緊固件的論文及綜述多限于室溫或-40℃-50℃的低溫力學(xué)性能及變形機(jī)理方面的研究，對(duì)于-100℃低溫鈦合金緊固件的力學(xué)性能研究與變化方面的論述較少。
2、低溫實(shí)驗(yàn)
以Ti-6Al-4V鈦合金螺栓、螺母緊固件為研究對(duì)象，通過一100℃下的機(jī)械性能試驗(yàn)，獲得-100℃下Ti-6Al-4V鈦合金螺栓的破壞載荷及其力學(xué)性能指標(biāo)(σb、σ0.2)。
試件采用Ti-6Al-4V鈦合金M8×1.0-30、M10×1.2 5-11六角頭長(zhǎng)螺紋螺栓、六角頭自鎖螺母各20套，其規(guī)格分別為MJ8×1×46、MJ10 X 1.25×29.5。其中，M8試件為S1101-050／1，M10試件為S1 101-051／1。試件表面經(jīng)過噴涂鋁和十六醇處理。試驗(yàn)設(shè)備采用MTS-NEW810液壓伺服試驗(yàn)系統(tǒng)(圖1)，該試驗(yàn)機(jī)可以通過控制力或位移加載速率施加拉伸荷載。在該試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上配以高／低溫保溫箱，通過不斷向保溫箱內(nèi)充液氮，將溫度控制在-100℃，控溫誤差為±1℃，實(shí)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)所要求的低溫條件。
按照緊固件試驗(yàn)方法《GJB715.23A-2008》的規(guī)定，本實(shí)驗(yàn)采用控制力的加載速率進(jìn)行試驗(yàn)，其中對(duì)于M8×1.0-30螺栓加載速率為35kN/min，M10×1.25-11螺栓的加載速率為55kN/min。實(shí)驗(yàn)所用的緊固件拉伸夾具根據(jù)《GJB715.23A-2008》設(shè)計(jì)，如圖2所示。
試件分為2種：M8和M10。試驗(yàn)時(shí)對(duì)試件進(jìn)行編號(hào)，M8采用1-1、2?編號(hào)表示，M10采用2-1、2?編號(hào)表示。為對(duì)比分析常溫和低溫-100℃時(shí)緊固件機(jī)械性能的變化，編號(hào)1～5為25℃常溫試驗(yàn)，編號(hào)6～20為-100℃低溫試驗(yàn)。
為了消除夾具之間的縫隙，每個(gè)試件開始試驗(yàn)之前都進(jìn)行預(yù)壓緊操作。進(jìn)行低溫試驗(yàn)時(shí)，試件在試驗(yàn)機(jī)上放置好后，開始降溫，保溫箱降到-100℃時(shí)保溫10min，然后再次進(jìn)行預(yù)壓緊操作。這是因?yàn)樵诟撸蜏叵渲?，隨著溫度降低到-100℃，試件收縮的尺寸可能較大，因此需要再次預(yù)緊以消除縫隙。
3、結(jié)果與討論
試驗(yàn)時(shí)，緊固件試樣出現(xiàn)了多種破壞模式，共有以下5種模式：
(1)螺母被破壞，螺栓沒有被拉斷；
(2)螺紋被破壞，螺栓沒有被拉斷；
(3)拉伸實(shí)驗(yàn)板塑性被破壞；
(4)螺栓與拉伸實(shí)驗(yàn)板均被破壞；
(5)螺桿被拉斷。根據(jù)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)《GJB715.23A-2008》可知，第5種破壞模式是正常的破壞模式，而本次試驗(yàn)的目的主要是獲得低溫下典型規(guī)格螺栓的破壞載荷和力學(xué)性能指標(biāo)(σb、σ0.2)，因此，有時(shí)把破壞模式(1)、(2)作為非正常破壞模式，而不在分析結(jié)果中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以保證實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>
圖3和圖4分別為M8、M10鈦合金緊固件在常溫和低溫下的螺桿拉斷破壞形貌圖。
因試件長(zhǎng)度較小且在低溫環(huán)境下無(wú)法使用應(yīng)變規(guī)，故無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量出試件在實(shí)驗(yàn)過程中的應(yīng)變變化，但可從實(shí)驗(yàn)機(jī)上獲得試件的載荷一位移曲線，獲得試件的最大拉伸載荷和斜率剛度，進(jìn)而依據(jù)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)《GJB715.23A-2008》中的數(shù)據(jù)處理方法計(jì)算出相應(yīng)鈦合金緊固件的屈服強(qiáng)度載荷、螺栓抗拉強(qiáng)度和螺栓屈服強(qiáng)度。相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表1、表2所示，其中“——”表該實(shí)驗(yàn)不滿足標(biāo)準(zhǔn)中有效實(shí)驗(yàn)的要求，無(wú)法獲得對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。
緊固件M8、M10低溫-100 ℃與常溫25℃拉伸性能之間比較，見圖5及圖6。
由圖可見，低溫下M8、M10緊固件的最大拉伸載荷均略有下降，但常溫下的屈服載荷與最大拉伸載荷的差值比低溫下的大，說(shuō)明低溫-100。C下的緊固件材料的塑性強(qiáng)化性能下降。根據(jù)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)《GJB715.23A-2008》中對(duì)有效試樣的要求及有效數(shù)據(jù)處理的建議，將M8和M10緊固件作為一個(gè)組件來(lái)看，通過分析、比較上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出如下結(jié)論：
(1)緊固件M8常溫下的最大拉伸強(qiáng)度平均值為45.96kN，低溫-100℃的最大拉伸強(qiáng)度平均值為49.51kN，提高了7.7％。緊固件M10常溫下的最大拉伸強(qiáng)度平均值為61.47kN，相應(yīng)的低溫-100℃的最大拉伸強(qiáng)度平均值為56.30kN，下降了8.4％。
(2)常溫下M8螺紋的最小拉力為44.3kN，低溫-100℃為38.0kN；常溫下緊固件M10螺紋的最小拉力為56.2kN，低溫-100℃為41.5kN。按國(guó)標(biāo)《GB／T3098.1-2000》中螺栓的細(xì)牙保證載荷性能等級(jí)，常溫下M8螺紋的最小拉力大于40.8kN，應(yīng)該為10.9級(jí)，低溫-100?！嫦翸8的螺紋最小拉力大于35.3kN，應(yīng)為9.8級(jí)，在低溫下，M8緊固件的螺紋的保證載荷性能等級(jí)下降了一級(jí)。M10的螺栓的細(xì)牙保證載荷性能等級(jí)，在常溫下大于55.1kN，為9.8級(jí)，在低溫下，大于36.7kN，小于49.0kN，為6.8級(jí)，在低溫下，M10緊固件螺紋的保證性能等級(jí)下降了2級(jí)。
(3)M8緊固件常溫下屈服強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的載荷為44.0kN，低溫-100℃時(shí)屈服強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的載荷為49.1kN，比常溫提高了11．6％，而M10緊固件常溫時(shí)屈服強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的載荷為55.9kN，低溫-100℃時(shí)屈服強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的載荷為56.0kN，比常溫提高了0.2％。
(4)緊固件M8低溫-100℃與常溫25℃拉伸性能比較，低溫下M8緊固件的屈服載荷和最大拉伸載荷都略有提高，但常溫下的屈服載荷與最大拉伸載荷的差值比低溫下的大，說(shuō)明低溫-100℃下的緊固件材料的塑性強(qiáng)化性能下降。緊固件M10低溫-100℃與常溫25℃拉伸性能比較，低溫下M10緊固件的最大拉伸載荷都略有下降，但常溫下的屈服載荷與最大拉伸載荷的差值比低溫下的大，說(shuō)明低溫-100℃下的緊固件材料的塑性強(qiáng)化性能下降。
(5)常溫M8螺栓的拉伸強(qiáng)度平均值為1188.3MPa，低溫-100℃時(shí)該值為1255.4MPa，提高了5.6％。常溫M10螺栓的拉伸強(qiáng)度平均值為1015.7MPa，低溫-100℃時(shí)該值降為919.9MPa，下降了9.4％。
(6)常溫M8螺栓的拉伸屈服強(qiáng)度平均值為1 1 77．4MPa，低溫．100℃時(shí)該值為1219.3MPa，提高了3.6％。常溫M10螺栓的拉伸屈服強(qiáng)度平均值為902.3MPa，低溫-100℃時(shí)該值降為903.4MPa，提高了0.1％。在低溫下M8和M10螺栓的拉伸屈服強(qiáng)度都略有提高，但需要考慮屈服載荷是通過近似的方法得到的。
在-100℃的低溫環(huán)境下，鈦合金緊固件的型號(hào)可影響其力學(xué)性能的改變，如M8鈦合金緊固件螺紋的保證載荷性能將下降1級(jí)而M10下降2級(jí)；M8緊固件的拉伸強(qiáng)度提高了11.6％，而M10只提高了0.2％；M8緊固件的拉伸屈服強(qiáng)度較常溫提高了3.6％，而M10僅提高了0.1％；緊固件的塑化性能方面均下降。因M10緊固件的長(zhǎng)度僅為29.5mm而M8緊固件的長(zhǎng)度46mm，因此-100℃低溫環(huán)境下，M8緊固件的在常溫及低溫條件下的測(cè)試結(jié)果的差異大于M10的測(cè)試結(jié)果，且M10的測(cè)試結(jié)果離散性較大。
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