【摘要】：傳統(tǒng)鈦合金和鋯合金強(qiáng)度均較低,使其應(yīng)用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)展受到很大限制。為此,近些年來科研人員開發(fā)出了一系列新型的鈦鋯基合金,其中Ti20Zr6.5Al4V合金在保持傳統(tǒng)鈦合金高比強(qiáng)度的同時(shí),強(qiáng)度大幅提高,有望作為航天器的結(jié)構(gòu)件制造材料。科研工作者對Ti20Zr6.5Al4V合金進(jìn)行了密集的研究,涵蓋了很多方面,然而到目前為止對該合金顯微組織和形變機(jī)理的研究仍顯不足,不利于這一優(yōu)秀材料性能的進(jìn)一步發(fā)揮。本文對Ti20Zr6.5Al4V合金分別進(jìn)行了時(shí)效和退火處理,研究了不同合金狀態(tài)下的微觀組織對力學(xué)性能的影響,并對具有優(yōu)良綜合力學(xué)性能的退火態(tài)Ti20Zr6.5Al4V合金在不同方向上的力學(xué)性能差異進(jìn)行了研究。最后,對退火態(tài)Ti20Zr6.5Al4V合金以及與其具有成分相似性的Ti6Al4V合金和物相結(jié)構(gòu)相似性的純Zr在單軸拉伸和單軸壓縮變形過程中的顯微組織和形變機(jī)理進(jìn)行了對比研究。研究結(jié)果表明:Ti20Zr6.5Al4V合金經(jīng)過450℃2 h的時(shí)效處理后,獲得了超高的1730 MPa的抗拉強(qiáng)度和2.3%的低延伸率;而經(jīng)過750℃2 h退火處理后則具有1235 MPa的抗拉強(qiáng)度和10.8%的延伸率。在時(shí)效態(tài)下合金由α相單相組成;在退火態(tài)下則由α+β雙相組成,α相和β相的體積分?jǐn)?shù)分別為87.3%和12.7%。時(shí)效處理形成了細(xì)小的條片狀的初生α相(α_p)和彌散分布于α_p之間超細(xì)的二次α相(α_s)的結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)能起到細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化作用,從而大幅增強(qiáng)時(shí)效態(tài)合金的強(qiáng)度。在原始β晶界上析出的具有相似取向的層片狀α板條會引起應(yīng)力集中,并導(dǎo)致裂紋的萌生和擴(kuò)展,從而影響時(shí)效態(tài)合金的塑性。合金中α相的硬度要高于β相。退火處理在Ti20Zr6.5Al4V合金中形成了β相均勻分布于α板條之間的結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)大大增加了單位面積內(nèi)α/β相界面的比例。這些相界面的出現(xiàn)對位錯的運(yùn)動起到了很好的釘扎和阻礙作用,此外,β相比α相具有更好的塑性變形能力,這些因素導(dǎo)致了退火態(tài)合金塑性的提高。同時(shí),在退火過程中晶粒的長大以及較軟的β相的出現(xiàn)導(dǎo)致了退火態(tài)合金強(qiáng)度的下降。退火態(tài)的Ti20Zr6.5Al4V合金在不同的方向上展現(xiàn)出了奇特的力學(xué)性能差異,即抗拉強(qiáng)度基本保持不變,而延伸率則劇烈變化。在拉伸變形過程中,原始β晶界旁分布的具有相似取向的α板條會顯著影響裂紋的萌生和擴(kuò)展。裂紋易在原始β晶界處萌生,沿著原始β晶界擴(kuò)展,并能穿過一些具有相似取向的α板條的聚集區(qū)。這種裂紋萌生和擴(kuò)展機(jī)制導(dǎo)致了退火態(tài)Ti20Zr6.5Al4V合金在不同的方向上展現(xiàn)出延伸率各向異性。退火態(tài)Ti20Zr6.5Al4V合金在單軸拉伸和單軸壓縮過程中發(fā)生塑性變形時(shí),變形以滑移的方式進(jìn)行,孿晶的形成受到了抑制。在拉伸變形過程中錐面a滑移系、錐面c+a滑移系、柱面滑移系均可以被激活,而基面滑移系的啟動則受到抑制。單軸壓縮變形過程中,錐面a滑移系和基面滑移系都可以被激活,而柱面滑移系和錐面c+a滑移系的啟動則受到抑制。Zr的添加抑制了Ti20Zr6.5Al4V合金中變形孿晶的形成,使得Ti20Zr6.5Al4V合金塑性變形時(shí),只能以滑移的方式進(jìn)行。Zr的添加對Ti20Zr6.5Al4V合金中滑移系的啟動產(chǎn)生了影響,促進(jìn)了錐面a滑移系的啟動。
【學(xué)位授予單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG146.23

【參考文獻(xiàn)】

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1 張士宏;宋廣勝;徐勇;宋鴻武;程明;;施密特因子在鎂合金微觀變形機(jī)制研究中的應(yīng)用[J];精密成形工程;2014年06期

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本文編號：2617423