【摘要】：TA7鈦合金(Ti-5Al-2.5Sn合金)是使用最為廣泛的α鈦合金之一,由于具有諸多優(yōu)異的物理化學(xué)特性,TA7鈦合金被應(yīng)用于許多工程領(lǐng)域。TA7鈦合金作為結(jié)構(gòu)材料在其加工制造、服役過程中可能會在高低溫環(huán)境下承受高應(yīng)變率加載,了解TA7鈦合金在不同溫度和應(yīng)變率時的力學(xué)性能對其工程應(yīng)用具有重要意義。包括鈦合金在內(nèi)的許多金屬材料均表現(xiàn)出拉伸和壓縮力學(xué)行為的不對稱性,對金屬拉壓不對稱性及其溫度和應(yīng)變率的相關(guān)性開展實(shí)驗研究和分析對于材料的加工和應(yīng)用也是必要的。本文對TA7鈦合金在較大溫度和應(yīng)變率范圍內(nèi)的拉伸和壓縮力學(xué)行為進(jìn)行了較系統(tǒng)性的研究。對試驗所用的退火TA7鈦合金棒材的初始形貌進(jìn)行了顯微觀察,觀察顯示材料中幾乎全為α相等軸晶粒,退火棒材具有較弱的1210//RD絲織構(gòu)特征。在較大的溫度(-120～600℃)和應(yīng)變率(0.001～1050s-1)范圍內(nèi)對TA7鈦合金進(jìn)行了單向拉伸試驗,結(jié)果表明TA7鈦合金拉伸力學(xué)行為具有顯著的溫度相關(guān)性和應(yīng)變率相關(guān)性。TA7鈦合金拉伸屈服應(yīng)力隨溫度的升高而減小,拉伸應(yīng)變硬化隨溫度的升高而略有增大;拉伸屈服應(yīng)力隨著應(yīng)變率的增加而增大,拉伸應(yīng)變硬化隨著應(yīng)變率的增加而減小。對單向拉伸后的TA7鈦合金試樣進(jìn)行了 EBSD觀察,結(jié)果顯示TA7鈦合金在單向拉伸加載下有少量的{1012}拉伸孿晶和{1122}壓縮孿晶形成,分析表明單向拉伸加載時棒材中發(fā)生的滑移主要為柱面a滑移。通過動態(tài)拉伸加卸載試驗得到了 TA7鈦合金高應(yīng)變率等溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng),結(jié)果顯示TA7鈦合金高應(yīng)變率拉伸塑性變形行為具有顯著的絕熱溫升軟化效應(yīng),等溫應(yīng)變硬化隨應(yīng)變率的增加而減小�；赥A7鈦合金的宏觀塑性變形特征,對物理基的VA本構(gòu)模型進(jìn)行了修正并用來表征TA7鈦合金的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng),結(jié)果顯示修正的VA本構(gòu)模型能較好地表征TA7鈦合金溫度和應(yīng)變率相關(guān)的拉伸力學(xué)行為。對TA7鈦合金在不同溫度(-70～300℃)和應(yīng)變率(0.001～3000s-1)條件下進(jìn)行了單向壓縮試驗,結(jié)果顯示TA7鈦合金單向壓縮力學(xué)行為亦具有顯著的溫度相關(guān)性和應(yīng)變率相關(guān)性。TA7鈦合金壓縮屈服應(yīng)力隨溫度升高而顯著減小,壓縮應(yīng)變硬化隨溫度升高而略有增大;壓縮屈服應(yīng)力隨應(yīng)變率的增加而顯著增大,壓縮應(yīng)變硬化隨著應(yīng)變率的增加而減小。對壓縮加載后的試樣進(jìn)行了 EBSD觀察,結(jié)果顯示TA7鈦合金在單向壓縮塑性變形過程中會生成{1012}拉伸孿晶和{1121}拉伸孿晶,且孿晶更容易在低溫和高應(yīng)變率下形成。使用修正的VA本構(gòu)方程對TA7鈦合金的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)進(jìn)行了表征,結(jié)果顯示該本構(gòu)方程能較好地描述TA7鈦合金在不同溫度和應(yīng)變率壓縮加載下的力學(xué)行為。對TA7鈦合金單向拉伸和單向壓縮應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)進(jìn)行了對比分析,結(jié)果顯示TA7鈦合金的力學(xué)行為表現(xiàn)出明顯的拉壓不對稱,拉伸屈服應(yīng)力和拉伸應(yīng)變硬化均低于壓縮屈服應(yīng)力和壓縮應(yīng)變硬化。TA7鈦合金的屈服應(yīng)力和應(yīng)變硬化的拉壓不對稱性在高應(yīng)變率加載時更加顯著,而溫度對拉壓不對稱性沒有顯著影響。對TA7鈦合金拉伸和壓縮加載時的細(xì)觀塑性變形特征進(jìn)行了比較,并對拉壓不對稱性的機(jī)理進(jìn)行了簡要分析。顯微觀察結(jié)果顯示,拉伸試樣的孿晶密度比壓縮試樣的孿晶密度更低,且拉伸和壓縮試樣中孿晶的種類也有差異,這是TA7鈦合金宏觀應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)具有拉壓不對稱性的原因之一。文獻(xiàn)結(jié)果表明,α鈦的錐面c+a滑移具有拉壓不對稱性,這也是TA7鈦合金宏觀應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)出現(xiàn)拉壓不對稱性的原因之一�；谕嘶餞A7鈦合金棒材的初始織構(gòu)特征建立了多晶塑性有限元模型,考察了模型的幾何參數(shù)和物理參數(shù)對模型計算結(jié)果的影響,特別是錐面c+a滑移的相關(guān)參數(shù)的拉壓不對稱性對宏觀應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)的影響,驗證了模型的有效性。數(shù)值計算結(jié)果表明,采用該晶體塑性有限元模型能較好地模擬TA7鈦合金棒材在拉伸和壓縮加載下的宏觀力學(xué)行為以及織構(gòu)演化。在此基礎(chǔ)上,研究了 TA7鈦合金的細(xì)觀塑性變形機(jī)制,結(jié)果表明,柱面滑移是TA7鈦合金的主要塑性變形形式,柱面滑移所占比例隨著塑性變形的發(fā)展而逐漸降低,而基面滑移和錐面滑移所占比例隨著塑性變形的進(jìn)行而增大;塑性變形過程中晶粒的取向會發(fā)生顯著的改變。TA7鈦合金中滑移系的剪切變形使得材料織構(gòu)的演化表現(xiàn)出拉壓不對稱性,最終對TA7鈦合金宏觀應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)的拉壓不對稱性產(chǎn)生貢獻(xiàn)。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TG146.23
【圖文】：

是晶體最常見的塑性變形形式之一，ｃｔ鈦邋ａ邋滑移系、｛0Ｉｌ0｝＜２ｌＩ0＞柱面《邋滑移系沿《方向的滑移系僅能協(xié)調(diào)ＨＣＰ結(jié)構(gòu)晶形形式來協(xié)調(diào)ＨＣＰ結(jié)構(gòu)晶體沿ｃ方向的鈦重要的滑移系之一［｜２－１６】。對于密排六方｛０１１１｝和二級錐面｛２訂２｝上發(fā)生，研究向于在一級錐面｛０１１１｝上發(fā)生［１７１。ａ鈦如圖１．２ａ）所示。晶體的滑移是滑移面上，因此各滑移系發(fā)生的難易程度可以使用臨移系發(fā)生滑移時滑移面上沿滑移方向所需性變形形式在塑性變形過程中越容易發(fā)最密排面，最容易發(fā)生滑移的方向為最密ＨＣＰ結(jié)構(gòu)金屬的最密排面和最密排方向常數(shù)為和ｃ＝０．４６８ｎｍ，軸比ｃ／＿

子的加入還會增大ａ鈦的拉伸應(yīng)變硬化率［４２Ｕ鋁（Ａ１）原子的加入會顯著提高《鈦逡逑合金的晶格常數(shù)，進(jìn)而改變ＨＣＰ晶體的軸比ｃ／ａ，如圖１．５所示［４４］。在較小的濃逡逑度范圍內(nèi)《鈦合金的軸比Ｃ／？隨著鋁原子質(zhì)量濃度增大而顯著增大，這將提高逡逑ＨＣＰ晶格的基面密排度、降低基面堆垛層錯能，使得基面上的位錯更易于啟動［２３－逡逑４５４７］。除了滑移之外，Ａ１原子的加入也會對ａ鈦合金中孿晶的形成造成影響［４＼逡逑Ｗｉｌｌｉａｍｓ等對不同Ａ１原子含量的《鈦單晶沿不同方向進(jìn)行了加載，結(jié)果顯示提逡逑高溫度和Ａ１含量會抑制孿晶的生成，平行于＾軸壓縮時，塑性變形模式隨Ａ１含逡逑量的增大而從孿晶逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殄F面滑移，此外在最高Ａ１含量的《鈦中基逡逑面滑移比柱面滑移更容易發(fā)生［４９］。Ｌｉ等對多晶純鈦和Ｔｉ－５Ａｌ－２．５Ｓｎ合金的單軸逡逑拉伸及拉伸蠕變試驗表明，Ｔｉ－５Ａｌ－２．５Ｓｎ合金的基面滑移比多晶純鈦的基面滑移逡逑更容易發(fā)生，而多晶純鈦的錐面＜＾＋＜｜＞滑移和孿晶則比Ｔｉ－５Ａｌ－２．５Ｓｎ合金的錐面逡逑＜ｃ＋＜ｉ＞滑移和孿晶更容易發(fā)生［２２］。從圖１．５中還可以看到錫（Ｓｉｉ）元素的加入也會逡逑顯著改變《鈦合金的軸比ｃ／ａ的值，與鋁元素相同，這也會改變《鈦合金的塑性逡逑變形行為。逡逑－Ｍｅａｓｕｒｅｄ逡逑

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本文編號：2731728