【摘要】：TC4(Ti-6Al-4V)鈦合金具有比強度高、密度低、耐腐蝕性強等優(yōu)異性能,在海洋工程裝備領域中應用廣泛,然而,鈦合金亦具有較強的環(huán)境敏感性,海洋富氫環(huán)境將加劇鈦合金構件表面的吸氫反應,導致氫致開裂,造成重大安全事故。激光噴丸表面改性技術利用高強沖擊波壓力在材料表層誘導應力強化和組織強化效應,可有效降低海洋工程關鍵結構件發(fā)生氫脆和應力腐蝕開裂的概率。本文以TC4鈦合金為研究對象,通過理論分析、試驗研究和數(shù)值模擬相結合的方法,分析激光噴丸(Laser peening,LP)強化前后,試樣中氫吸附和氫擴散行為的變化規(guī)律,探索激光噴丸TC4鈦合金抗氫滲透的宏微觀強化機理,最終實現(xiàn)延長海洋結構裝備服役壽命的目的。主要工作如下:(1)從氫脆作用機理出發(fā),分析鈦合金氫脆產(chǎn)生的原因,闡述氫在材料中的吸附和擴散過程,討論氫滲透相關理論及氫擴散的控制方程和本構方程,從彈塑性力學的角度出發(fā),對激光噴丸后材料的動態(tài)響應機制進行分析,評估其誘導形成的殘余應力場,分析激光噴丸強化誘導的殘余壓應力、晶粒細化及位錯增殖等應力和組織強化效應提升TC4鈦合金抗氫滲透性能的機理。(2)開展不同激光功率密度下,典型TC4鈦合金試樣激光噴丸強化、電化學充氫及氫滲透試驗,探索充氫試樣激光噴丸前后,材料表層殘余應力、顯微硬度、晶粒尺寸及位錯組態(tài)等宏微觀后續(xù)性能變化,及其對氫吸附和擴散行為的影響。結果表明,隨著激光功率密度的增加,充氫試樣表層的殘余壓應力幅值、顯微硬度影響層深度、晶粒細化率和位錯密度均增加,充氫后材料表層的硬化率逐漸降低,位錯密度的增加可提供更多的氫捕獲位點,且位錯在材料內部的均勻分布有助于降低氫在晶界富集的概率。根據(jù)氫滲透試驗的氫滲透曲線計算獲得氫擴散系數(shù)、晶格中的氫濃度和氫陷阱密度等指標,結果表明,激光噴丸有利于阻礙氫原子在TC4鈦合金材料表層的吸附,降低氫在材料晶格內的擴散系數(shù),擴散率的降低使得氫難以繼續(xù)向材料內部滲透,從而可有效降低TC4鈦合金的氫脆敏感性。(3)基于ABAQUS軟件,構建激光噴丸工藝參數(shù)-殘余應力-氫擴散特性集成的數(shù)字化分析平臺,將激光噴丸強化有限元分析所得的應力應變結果,作為氫擴散的預定義場,進行應力誘導氫擴散的順次耦合計算,研究殘余壓應力分布對TC4鈦合金抗氫滲透行為的影響規(guī)律,實現(xiàn)鈦合金氫脆敏感性的合理預測。對比激光噴丸誘導表層殘余應力的數(shù)值模擬和實驗結果,表明模擬值與試驗值的變化趨勢一致,環(huán)境氫濃度直接影響氫滲入材料內部的速率及數(shù)量,激光噴丸誘導的殘余壓應力分布可有效降低進入材料內部的氫濃度,從而提高TC4鈦合金抗氫脆性能。最后,綜合分析實驗和模擬結果,提出激光噴丸強化TC4鈦合金抗氫滲透機理。 【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：P75;TG146.23;TG668

【圖文】：

如圖1.1 所示，其卓越的綜合性能得到了完美地展現(xiàn)。與銅、不銹鋼、鋼鐵、鋁合金等常規(guī)金屬材料相比，鈦材最顯著的特點是比強度高、密度低、耐腐蝕性強；同時還具有杰出的無冷脆性、抗海水沖刷、無磁性等功能。在鑄造及塑性成形等領域，能夠使用一般的方式對其加工，所以各類海洋工程裝備中鈦合金的使用比較廣泛。圖 1.1 鈦合金在海洋領域的應用(a)海洋工程(b)艦船F(xiàn)ig.1.1Application of titanium alloy in marine field (a) marine engineering (b) ship然而，鈦合金具有很強的環(huán)境敏感性，在海洋富氫服役環(huán)境中，鈦合金容易和氫發(fā)生相互作用產(chǎn)生氫脆失效。鈦合金的吸氫能力比較強，早期研究發(fā)現(xiàn)鈦合金在海水中具有明顯的氫吸附現(xiàn)象，深海環(huán)境將加劇鈦合金構件表面的吸氫反應或氫致開裂[2]，嚴重的安全事故會因此發(fā)生，從而限制了鈦合金在海洋工程結構裝備中的應用。因此，研究鈦合金的抗氫脆工藝，抑制鈦合金的氫脆敏感性，降低氫致裂紋的萌生幾率和擴展速率，最終提高鈦合金在深海富氫環(huán)境下的服役壽命具有十分重要的科學與工程意義。

有外部氫的影響，鈦材處于富氫環(huán)境時，可以與其中的氫相互作用。內部氫外部氫[6]-[8]與材料的作用機制已被大量研究。早在 19 世紀就發(fā)現(xiàn)了金屬中的氫滲透現(xiàn)象，也有相關報道將鈦放入氯化還原性酸中，發(fā)生了氫脆的現(xiàn)象。進入 20 世紀后，由于技術的飛速進步，鈦材氫脆性能的檢測和表征方法也不斷更新，對鈦合金氫脆現(xiàn)象的研究主要察在富氫環(huán)境中材料性能的變化，一些主要研究成果如下：V. Madina 等人[9]通過慢應變速率技術研究了三種不同鈦合金對氫致應力現(xiàn)象的敏感性。所得結果表明，材料的微觀結構，，特別是β相含量，對鈦合致應力開裂現(xiàn)象的敏感性起著重要作用。通過氫在純α鈦合金中的低溶解度散率可解釋淺氫化物層的產(chǎn)生和在無氫化物的 Ti Gr-2 合金上引起的二次。Ti Gr-12 合金中，少量的β相能夠將氫引向基體材料，從而增加其滲透性氫含量達到飽和時，氫化物在α相中沉淀誘導裂紋產(chǎn)生（圖 1.2）。對于 Ti G金而言，β相含量足以溶解試驗期間在試樣表面上產(chǎn)生的氫，而無氫化物沉二次裂紋。

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

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相關碩士學位論文 前1條

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本文編號：2711987