【摘要】：我國是鈦工業(yè)大國,但受加工技術(shù)水平限制,我國鈦工業(yè)面臨大而不強(qiáng)的局面,很難生產(chǎn)出性能滿足要求且能夠長期穩(wěn)定服役的鈦合金產(chǎn)品,高端鈦加工材嚴(yán)重依賴進(jìn)口。對鈦合金基礎(chǔ)研究的缺失是造成當(dāng)前局面的根本原因。本文以Ti-6Al-4V鈦合金為研究對象開展基礎(chǔ)性研究,考慮鈦合金的雙相特征從微觀層面探討合金微觀組織結(jié)構(gòu)特征與宏觀力學(xué)性能之間的對應(yīng)關(guān)系,對于更好地理解鈦合金的變形機(jī)理、提高綜合力學(xué)性能、充分發(fā)揮材料的優(yōu)點具有一定的理論意義。以Ti-6Al-4V鈦合金板材為試樣,考慮相變特點對鈦合金進(jìn)行熱處理以制備不同組成相比例和尺寸試樣,分析熱處理工藝制度對鈦合金顯微組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律。固溶溫度在鈦合金相變點以下時微觀組織由初生α相和β轉(zhuǎn)變組織構(gòu)成,且β轉(zhuǎn)變組織含量隨固溶溫度的升高逐漸增多,鈦合金強(qiáng)度和顯微硬度也隨之提升,延伸率則逐漸降低;固溶溫度超過鈦合金相變點后,鈦合金強(qiáng)度、延伸率和顯微硬度均明顯降低。隨冷卻速度的加快,鈦合金晶粒尺寸逐漸變小,對應(yīng)的強(qiáng)度、硬度逐漸提升,而延伸率則降低。根據(jù)Ti-6Al-4V鈦合金高溫β相區(qū)和(α+β)兩相區(qū)的本構(gòu)模型,推導(dǎo)得到高溫時Ti-6Al-4V鈦合金中α相和β相的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。考慮室溫變形時Ti-6Al-4V鈦合金中初生α相和β轉(zhuǎn)變組織不均勻變形引起的幾何必須位錯建立了室溫時初生α相的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型,模型將晶粒尺寸、相含量引入其中,更加有助于從微觀層面研究鈦合金的變形行為�；诩{米壓痕載荷曲線獲得β轉(zhuǎn)變組織的關(guān)鍵力學(xué)性能參數(shù)并建立室溫時的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型。研究了Ti-6Al-4V鈦合金900℃高溫變形時α相和β相的加工硬化率、應(yīng)力-應(yīng)變分配系數(shù)、應(yīng)力比、應(yīng)變比以及宏觀應(yīng)力和應(yīng)變貢獻(xiàn)率的變化規(guī)律。β相和α相分別在宏觀應(yīng)變約為0.07和0.14時出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象,且α相和鈦合金在同一時刻開始出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象,可見α相的應(yīng)變軟化行為在鈦合金變形中發(fā)揮著重要作用;隨變形的進(jìn)行,組成相應(yīng)力-應(yīng)變分配系數(shù)逐漸降低,最終趨于穩(wěn)定,表明組成相變形的協(xié)調(diào)性達(dá)到相對穩(wěn)定;在整個變形過程中α相承擔(dān)著比其體積分?jǐn)?shù)更多的應(yīng)力,β相承擔(dān)著比其體積分?jǐn)?shù)更多的應(yīng)變。利用MSC.Marc有限元軟件,根據(jù)Ti-6Al-4V鈦合金真實的微觀組織圖像建立微觀力學(xué)有限元模型。模擬室溫拉伸時初生α相和β轉(zhuǎn)變組織內(nèi)應(yīng)變和應(yīng)力的分布及其演變規(guī)律。結(jié)果表明,組成相之間的應(yīng)變和應(yīng)力分配差異較大,應(yīng)變主要由較軟初生α相承擔(dān),而應(yīng)力主要由較硬β轉(zhuǎn)變組織承擔(dān)。宏觀應(yīng)變?yōu)?.05時,與拉伸方向成45°的方向上出現(xiàn)了變形帶,初生α相臨近β轉(zhuǎn)變組織的部位出現(xiàn)了應(yīng)力集中,當(dāng)宏觀應(yīng)變增大至0.10時,變形帶和應(yīng)力集中現(xiàn)象變得更加顯著。在宏觀變形不同階段,組成相的應(yīng)變和應(yīng)力集中因子存在較大不同,但最終它們均趨于穩(wěn)定。Ti-6Al-4V鈦合金的疲勞壽命與微觀組織不均勻引起的局部應(yīng)變集中存在緊密聯(lián)系,通過有限元方法分析了鈦合金的周期塑性變形行為。循環(huán)加載后,鈦合金宏觀層面雖然未發(fā)生變形,但微觀組織內(nèi)部出現(xiàn)了可觀的等效塑性應(yīng)變。在初生α相內(nèi)與β轉(zhuǎn)變組織交界處出現(xiàn)了應(yīng)變集中,該區(qū)域在循環(huán)載荷下容易出現(xiàn)塑性損傷,進(jìn)而萌生疲勞裂紋。隨初生α相體積分?jǐn)?shù)增加、晶粒尺寸減小,加載應(yīng)變幅度降低、應(yīng)變比增大,可降低鈦合金循環(huán)加載時微觀組織內(nèi)部的等效塑性應(yīng)變,提升抗疲勞性能。本文考慮Ti-6Al-4V鈦合金的雙相特征從微觀層面系統(tǒng)研究了高溫壓縮、室溫拉伸以及周期加載過程中鈦合金內(nèi)部組成相的變形行為,對于優(yōu)化鈦合金的組織性能能夠提供一定的理論指導(dǎo)。
【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
【圖文】：

第1章 緒 論及研究的目的和意義與鋼鐵、鋁合金、鎂合金等金屬材料相比較而言具有性強(qiáng)、耐熱性和低溫性能好等，基于這些突出優(yōu)點鈦金屬”，在國防工業(yè)和民用工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用前景經(jīng)過多年發(fā)展已取得了長足進(jìn)步，鈦產(chǎn)能及產(chǎn)量在世國鈦加工材每年的生產(chǎn)總量將近 5 萬噸，2017 年達(dá)已經(jīng)是名副其實地鈦工業(yè)大國。但受加工技術(shù)水平的大而不強(qiáng)[4,5]。如圖 1-1 所示為 2017 年我國鈦加工材

燕山大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文前局面的根本原因，很難生產(chǎn)出性能滿足要求與國際鈦合金強(qiáng)國的先進(jìn)工藝與技術(shù)相比，我國差距，雖然已掌握共性的研究方法，但對鈦合金進(jìn)一步提升。鈦合金專家趙永慶指出，我國針對合金強(qiáng)國落后很多，如國外對老牌的 Ti-6Al-4V，基本掌握了鈦合金加工工藝與微觀組織、力研究工作極大提升了 Ti-6Al-4V 鈦合金的力學(xué)性范圍，但我國很少有學(xué)者針對老牌鈦合金開展合金工藝技術(shù)的落后狀態(tài)，中國工程院院士周工作時需要將重點放在基礎(chǔ)研究以及組織性能術(shù)的合金設(shè)計及其生產(chǎn)加工分析等方向上[7]。

對于更好地理解鈦合金的變形機(jī)理、提高綜合力學(xué)性能、充分發(fā)揮材料有一定的理論意義，同時可對鈦合金組織性能的調(diào)控提供有效指導(dǎo)，為鈦合能的數(shù)據(jù)積累提供幫助。Ti-6Al-4V 雙相鈦合金簡介1 鈦的相變及鈦合金分類.1 鈦的同素異晶轉(zhuǎn)變金屬材料發(fā)生相變會改變材料的微觀組織形態(tài)進(jìn)而影響材料的宏觀力學(xué)性研究鈦合金的相變特征和規(guī)律，再結(jié)合一定的熱處理手段可以實現(xiàn)鈦合金的調(diào)控，對于提升鈦合金的宏觀力學(xué)性能、充分挖掘合金的潛能具有重要的際意義。鈦具有兩種同素異構(gòu)體，分別稱為 α 鈦和 β 鈦，如圖 1-3 所示為兩構(gòu)體的晶體結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)溫度低于 882.5℃時以 α 鈦的形式存在，為密排六方度超過 882.5℃，α 鈦轉(zhuǎn)變成為 β 鈦，為體心立方結(jié)構(gòu)。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

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本文編號：2803086