Abstract
Ti-6Al-4V合金具有高強度重量比，以及優異的抗蝕性，但有氫脆化的問題。過去鈦合金的氫脆研究，對實驗溫度的選擇，大部分集中在室溫以下；而試片的應力狀態大多為平面應變，且以針對單純內含氫的研究居多。由於鈦合金實際使用的溫度範圍極廣，而偏向平面應力狀態的板材應用甚多，因此本研究的目的，希望透過定荷重裂縫成長實驗，在0~505kPa的氫氣環境中，觀察不同內含氫(50, 150ppm)的試片，在室溫以上氫引發裂縫成長的行為，並探討可能的斷裂機制。研究中發現，內含氫50ppm與150 ppm具有b相連續微結構的Ti6Al4V合金，在20?95℃的溫度範圍內，0?505kPa的氫氣環境中，有氫引發次臨界裂縫成長的現象發生。在20?95℃的溫度範圍內，所有試片的第二階段裂縫成長速率(da/dt)II隨溫度的變化不大。 本研究中所發現的氫引發裂縫成長之斷裂模式有三種。第一，是內溶氫引發應變集中；發生於氫含量50 ppm試片，在20~95℃氬氣、101與505 kPa氫氣環境下，裂縫成長速率在6×10-9?2×10-8 m/s之間。第二，IFP或氫化物破裂造成近似劈裂模式，發生於氫含量150 ppm試片，在20~95℃氬氣、101與505 kPa氫氣環境下，裂縫成長速率在10-7?10-8 m/s之間。第三，鈦合金氫化物析出破裂的自催化過程所造成的全面脆裂，發生在氫含量50與150 ppm試片，在20~95℃間505kPa氫氣環境下，裂縫成長速率在10-5 m/s左右。 綜合本研究的結果，我們發現，溫度的效應對內含氫主控斷裂時，對裂縫成長行為影響較大。當外加氫環境主控(505kPaH2快速斷裂)裂縫成長時，溫度的影響不顯著。外加氫環境對裂縫成長的影響主要是在505 kPa時，造成試片快速脆裂，在其他狀況下則無明顯的效應。而氫含量的影響方面，由結果可知，第二階段裂縫成長速率隨氫含量增加而增加，但隨溫度的上升，鈦合金的延展性增加，會降低氫含量的效應。 由過去從事氫脆的經驗可知，評估氫脆對材料的影響時，刻痕拉伸試驗是較平滑拉伸保守的測試方法。而定荷重裂縫成長試驗是較定速刻痕拉伸試驗保守的評估方法。因此我們建議，研究材料氫脆的問題，經由進行定速平滑拉伸試驗、刻痕拉伸試驗，進一步進行定荷重裂縫成長觀察，才能有系統的獲得完整的氫脆性質，以為實際應用之參考。