1、前言
钛合金具有密度小、比强度高、耐高温和耐腐蚀等特点，是20世纪中叶发展起来的一类新型结构材料，已在众多领域特别是在航空、航天领域得到了广泛应用。近年来，随着各国探索太空的竞争，迫切需要能够适应太空低温服役的环境材料。因此，钛合金在宇航、超导等领域成为一种倍受关注的低温工程材料。其中，钛合金紧固件广泛应用于航空、航天领域中飞行器各个部件、结构件的连接中，钛合金紧固件的各种性能也因此对各类飞行器正常工作起着决定性的作用。
飞行器特殊的工作环境使钛合金紧固件将处于低温环境。在低温环境及介质条件下，材料内部组织结构可能会有所改变，并引起材料的力学及物理性能发生变化。如果钛合金紧固件在低温环境中发生了影响材料性能的微观组织变化，将加速紧固件失效，并对飞行器的安全造成极大的影响。因此，了解钛合金紧固件在低温环境条件下的力学特性变化，对飞行器的结构设计和构件的安全使用至关重要。目前，关于钛合金紧固件的论文及综述多限于室温或-40℃-50℃的低温力学性能及变形机理方面的研究，对于-100℃低温钛合金紧固件的力学性能研究与变化方面的论述较少。
2、低温实验
以Ti-6Al-4V钛合金螺栓、螺母紧固件为研究对象，通过一100℃下的机械性能试验，获得-100℃下Ti-6Al-4V钛合金螺栓的破坏载荷及其力学性能指标(σb、σ0.2)。
试件采用Ti-6Al-4V钛合金M8×1.0-30、M10×1.2 5-11六角头长螺纹螺栓、六角头自锁螺母各20套，其规格分别为MJ8×1×46、MJ10 X 1.25×29.5。其中，M8试件为S1101-050／1，M10试件为S1 101-051／1。试件表面经过喷涂铝和十六醇处理。试验设备采用MTS-NEW810液压伺服试验系统(图1)，该试验机可以通过控制力或位移加载速率施加拉伸荷载。在该试验机的基础上配以高／低温保温箱，通过不断向保温箱内充液氮，将温度控制在-100℃，控温误差为±1℃，实现本实验所要求的低温条件。
按照紧固件试验方法《GJB715.23A-2008》的规定，本实验采用控制力的加载速率进行试验，其中对于M8×1.0-30螺栓加载速率为35kN/min，M10×1.25-11螺栓的加载速率为55kN/min。实验所用的紧固件拉伸夹具根据《GJB715.23A-2008》设计，如图2所示。
试件分为2种：M8和M10。试验时对试件进行编号，M8采用1-1、2⋯编号表示，M10采用2-1、2⋯编号表示。为对比分析常温和低温-100℃时紧固件机械性能的变化，编号1～5为25℃常温试验，编号6～20为-100℃低温试验。
为了消除夹具之间的缝隙，每个试件开始试验之前都进行预压紧操作。进行低温试验时，试件在试验机上放置好后，开始降温，保温箱降到-100℃时保温10min，然后再次进行预压紧操作。这是因为在高／低温箱中，随着温度降低到-100℃，试件收缩的尺寸可能较大，因此需要再次预紧以消除缝隙。
3、结果与讨论
试验时，紧固件试样出现了多种破坏模式，共有以下5种模式：
(1)螺母被破坏，螺栓没有被拉断；
(2)螺纹被破坏，螺栓没有被拉断；
(3)拉伸实验板塑性被破坏；
(4)螺栓与拉伸实验板均被破坏；
(5)螺杆被拉断。根据实验标准《GJB715.23A-2008》可知，第5种破坏模式是正常的破坏模式，而本次试验的目的主要是获得低温下典型规格螺栓的破坏载荷和力学性能指标(σb、σ0.2)，因此，有时把破坏模式(1)、(2)作为非正常破坏模式，而不在分析结果中进行统计，以保证实现试验目的。
图3和图4分别为M8、M10钛合金紧固件在常温和低温下的螺杆拉断破坏形貌图。
因试件长度较小且在低温环境下无法使用应变规，故无法准确测量出试件在实验过程中的应变变化，但可从实验机上获得试件的载荷一位移曲线，获得试件的最大拉伸载荷和斜率刚度，进而依据实验标准《GJB715.23A-2008》中的数据处理方法计算出相应钛合金紧固件的屈服强度载荷、螺栓抗拉强度和螺栓屈服强度。相应的实验结果如下表1、表2所示，其中“——”表该实验不满足标准中有效实验的要求，无法获得对应的数据。
紧固件M8、M10低温-100 ℃与常温25℃拉伸性能之间比较，见图5及图6。
由图可见，低温下M8、M10紧固件的最大拉伸载荷均略有下降，但常温下的屈服载荷与最大拉伸载荷的差值比低温下的大，说明低温-100。C下的紧固件材料的塑性强化性能下降。根据实验标准《GJB715.23A-2008》中对有效试样的要求及有效数据处理的建议，将M8和M10紧固件作为一个组件来看，通过分析、比较上述实验数据可得出如下结论：
(1)紧固件M8常温下的最大拉伸强度平均值为45.96kN，低温-100℃的最大拉伸强度平均值为49.51kN，提高了7.7％。紧固件M10常温下的最大拉伸强度平均值为61.47kN，相应的低温-100℃的最大拉伸强度平均值为56.30kN，下降了8.4％。
(2)常温下M8螺纹的最小拉力为44.3kN，低温-100℃为38.0kN；常温下紧固件M10螺纹的最小拉力为56.2kN，低温-100℃为41.5kN。按国标《GB／T3098.1-2000》中螺栓的细牙保证载荷性能等级，常温下M8螺纹的最小拉力大于40.8kN，应该为10.9级，低温-100。℃下M8的螺纹最小拉力大于35.3kN，应为9.8级，在低温下，M8紧固件的螺纹的保证载荷性能等级下降了一级。M10的螺栓的细牙保证载荷性能等级，在常温下大于55.1kN，为9.8级，在低温下，大于36.7kN，小于49.0kN，为6.8级，在低温下，M10紧固件螺纹的保证性能等级下降了2级。
(3)M8紧固件常温下屈服强度对应的载荷为44.0kN，低温-100℃时屈服强度对应的载荷为49.1kN，比常温提高了11．6％，而M10紧固件常温时屈服强度对应的载荷为55.9kN，低温-100℃时屈服强度对应的载荷为56.0kN，比常温提高了0.2％。
(4)紧固件M8低温-100℃与常温25℃拉伸性能比较，低温下M8紧固件的屈服载荷和最大拉伸载荷都略有提高，但常温下的屈服载荷与最大拉伸载荷的差值比低温下的大，说明低温-100℃下的紧固件材料的塑性强化性能下降。紧固件M10低温-100℃与常温25℃拉伸性能比较，低温下M10紧固件的最大拉伸载荷都略有下降，但常温下的屈服载荷与最大拉伸载荷的差值比低温下的大，说明低温-100℃下的紧固件材料的塑性强化性能下降。
(5)常温M8螺栓的拉伸强度平均值为1188.3MPa，低温-100℃时该值为1255.4MPa，提高了5.6％。常温M10螺栓的拉伸强度平均值为1015.7MPa，低温-100℃时该值降为919.9MPa，下降了9.4％。
(6)常温M8螺栓的拉伸屈服强度平均值为1 1 77．4MPa，低温．100℃时该值为1219.3MPa，提高了3.6％。常温M10螺栓的拉伸屈服强度平均值为902.3MPa，低温-100℃时该值降为903.4MPa，提高了0.1％。在低温下M8和M10螺栓的拉伸屈服强度都略有提高，但需要考虑屈服载荷是通过近似的方法得到的。
在-100℃的低温环境下，钛合金紧固件的型号可影响其力学性能的改变，如M8钛合金紧固件螺纹的保证载荷性能将下降1级而M10下降2级；M8紧固件的拉伸强度提高了11.6％，而M10只提高了0.2％；M8紧固件的拉伸屈服强度较常温提高了3.6％，而M10仅提高了0.1％；紧固件的塑化性能方面均下降。因M10紧固件的长度仅为29.5mm而M8紧固件的长度46mm，因此-100℃低温环境下，M8紧固件的在常温及低温条件下的测试结果的差异大于M10的测试结果，且M10的测试结果离散性较大。
参考文献
1杨健．钛合金在飞机上的应用[J]．航空制造技术，2006.11：41～43
2王琦．TC4钛合金的低温拉伸性能[J]．材料工程，2006，3：54～56
3 Wigley DA．Mechanical properties of materials at low temperatures[M]．New York-London；PlenumPress，1971
4Glazer J．Mechanical behavior ofAl-Li alloy atcryogenic
temperature[J]．Metall．Trans．，1987，l 8 A(1)：695——703
5Ken YAMAMURA et a1．Temperature dependence of mechanical properties at cryogenic temperature in AI-Li—Mg alloys[M]．Light Metal，Japan，41(8)：515～520
6刘瑛，张新明，李慧中，等．25 19铝合金的低温拉伸力学性能[J]．中南大学学报(自然科学版)，2006，37(4)：641～645
7陈鼎，黄培云．钛和钛合金在低温下的力学性能[J]．矿冶工程，2002，22(3)：111～114
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