航空用钛合金的失效及其预防

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简要介绍了钛及其合金金属学基础以及组织性能关系，着重介绍了钛合金及其零部件的失效特征、模式、机理与预防以及制造过程中的常见缺陷及其形成机理、检测及其预防技术。同时，钛合金的缺陷敏感性及其损伤容限、近年来发展起来的提高钛合金加工质量和表面完整性的新颖的强化技术与方法，也是本书的重要内容。本书不仅可为从事航空钛合金研制、零部件设计、生产以及失效分析的人员提供借鉴和帮助，而且也将为其它行业部门从事钛合金设计、研制的科技人员与院校师生提供参考和借鉴。...

曹春晓，1934年生，上虞人。1956年上海交通大学毕业后，一度在北京航空材料研究院任钛合金专业负责人、研究员。1997年11月当选为中国科学院院士。他长期从事航空材料的研制，发明航空材料多项，先后率领3个大型联合课题组突破制造工艺等技术难关，完成了TC4、TC11、Ti—55合金的应用研究，使钛合金为新型航空发动机压气机的主体材料，为我国航空发动机用钛合金材料体系的建立和空军装备的更新换代做出突出贡献。其创立的热变形和热处理新技术，优化钛合金金相组织和综合性能，显著提高了钛合金的蠕变抗力、断裂韧性和疲劳裂纹扩展抗力。现任全国博士后管委会材料科学与工程专家组组长、国防科工委专家咨询委员会委员、中国航空工业第一集团公司科技委员会顾问，北京航空材料研究院学位评定委员会副主席、博士生导师。

国防科技图书出版工作是国防科技事业的一个重要方面。优秀的国防科技图书既是国防科技成果的一部分，又是国防科技水平的重要标志。为了促进国防科技和武器装备建设事业的发展，加强社会主义物质文明和精神文明建设，培养优秀科技人才，确保国防科技优秀图书的出版，原国防科工委于1988年初决定每年拨出专款，设立同防科技图书出版基金，成立评审委员会，扶持、审定出版国防科技优秀图书。

第一章 概 论.
1.1 钛合金在航空上的应用
1.2 钛及其合金的金属学基础
1.2.1 杂质的影响
1.2.2 合金元素的影响
1.3 航空常用的钛合金
1.3.1 α钛合金
1.3.2 β钛合金
1.3.3 α+β钛合金
1.4 钛合金的组织与力学性能
1.4.1 拉伸性能
1.4.2 断裂韧度及裂纹扩展速率
1.4.3 疲劳性能
1.4.4 热稳定性及抗蠕变性能
1.5 航空钛合金零件常见的失效模式
1.6 钛合金应用前景及发展方向
参考文献
第二章 钛合金及其零部件的疲劳断裂失效
2.1 低周疲劳断裂及其基本特征

1996年底，相继发生了几起钛合金零部件在服役条件和发动机试车过程中的断裂失效，且暴露出一系列共性的问题，如断口性质难以确认，源区缺陷虽远小于设计容限，设计应力也不大，但疲劳区极小。这些现象引起了人们的高度重视，认识到必须尽快就钛合金失效特征及模式，尤其是试车和使用过程中出现的失效，包括在制造过程中常见的缺陷及其预防措施进行收集、归纳、总结，填补目前在该领域的空白，以免在今后钛合金使用过程中出现失效时束手无策。. 钛合金的用量与日俱增，美国研制的，F-22战斗机上钛合金用量占机体总重量的40％以上，发动机实现了压气机全钛化。因此近年来有关先进战斗机和发动机的报告中无一不..

第一章概 论
1.1钛合金在航空上的应用
由于钛合金具有高比强度、较宽的工作温度范围和优异的腐蚀抗力，因而在航空及宇航工业得以广泛应用，如阿波罗飞船，其用钛量高达1180kg。
钛合金在航空发动机上已取代铝合金、镁合金及钢构件。目前先进发动机压气机盘、压气机叶片和风扇叶片以及机匣等均由钛合金制造，即实现压气机全钛化方案。
钛合金在先进飞机上也获得大量应用，如苏-27飞机上各种钛合金零件的重量约占飞机结构重量的15%；美国第三代战斗机F-14和F-15上钛合金零件的总重量占飞机结构重量的比例分别高达24%和27%，而美国第四代战斗机F-22上的钛合金用量已达41%。
在航空上使用钛合金的主要原因包括以下几个方面：
(1)降低重量在各种应用条件下，钛合金的高比强度远超过强度高而比重大的钢以及重量虽轻但强度较低的铝合金。图1-2比较了几种金属材料在不同温度下的比强度，可以看出，用钛合金代替钢和铝合金而降低重量是相当可观的。第二代军用战斗机的结构重量系数（即飞机自重占起飞重量的百分比）从33%。34%降低到美国第四代战斗机的典型代表F-22的27% - 28%，以F-22起飞重量25000kg计算，需降低自身重量1500kg，通过设计改进最大可减重300kg，大量采用复合材料实现减重约600kg，需采用钛合金实现减重600kg，占总减重的40%，可见大量采用钛合金在军机发展中所起到的作用。