【摘要】：輕質(zhì)高強(qiáng)的α+β型鈦合金在軍事和民用領(lǐng)域內(nèi)具有廣泛的應(yīng)用,這類合金在服役過程中往往會遇到極端環(huán)境和極端加載條件,因此必須對α+β鈦合金力學(xué)性能的準(zhǔn)確測試和有效表征開展系統(tǒng)的研究。本文針對兩相鈦合金TC11在較寬溫度和應(yīng)變率范圍內(nèi)的拉伸力學(xué)行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)、宏觀表征和細(xì)觀數(shù)值模擬等研究,主要工作包含如下幾個(gè)方面：1.對高應(yīng)變率拉伸加卸載試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn),設(shè)計(jì)了變截面前置金屬短桿和高剛度的限位機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了更高應(yīng)變率的沖擊拉伸加卸載試驗(yàn)。對TC11實(shí)施了環(huán)境溫度213～873K、應(yīng)變率0.001～1150 s-1范圍內(nèi)拉伸力學(xué)行為的實(shí)驗(yàn)研究。利用沖擊拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)獲得了高應(yīng)變率(102～103S-1)范圍內(nèi)TC11的絕熱應(yīng)力-應(yīng)變曲線,利用沖擊拉伸復(fù)元試驗(yàn)技術(shù)獲得了高應(yīng)變率范圍內(nèi)的等溫應(yīng)力-應(yīng)變曲線,利用沖擊拉伸加卸載試驗(yàn)技術(shù)實(shí)施了變溫度和變應(yīng)變率測試。試驗(yàn)結(jié)果表明,TC11是典型的彈塑性材料,其拉伸力學(xué)行為呈現(xiàn)出明顯的溫度和應(yīng)變率敏感特征,具體表現(xiàn)如下：初始屈服應(yīng)力隨應(yīng)變率的提高而增大,其力學(xué)行為呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng),且在中應(yīng)變率范圍,呈現(xiàn)出應(yīng)變率不敏感向應(yīng)變率敏感的轉(zhuǎn)折；初始屈服應(yīng)力隨溫度的升高而減小,其力學(xué)行為呈現(xiàn)出明顯的溫度軟化效應(yīng),但在573-723K出現(xiàn)一個(gè)“反常溫度區(qū)間”,即初始屈服應(yīng)力表現(xiàn)出對溫度的不敏感；等溫塑性硬化行為在測試的溫度和應(yīng)變率范圍內(nèi)呈現(xiàn)出溫度和應(yīng)變率不敏感特征,高應(yīng)變率加載下的瞬態(tài)絕熱溫升是引起材料應(yīng)變硬化率明顯降低的主要原因；變溫度和變應(yīng)變率測試結(jié)果表明,高應(yīng)變率加載時(shí)材料內(nèi)的熱功轉(zhuǎn)換系數(shù)約為0.9,且其拉伸力學(xué)行為無明顯的溫度和應(yīng)變率歷史效應(yīng)。2.對拉伸變形后TC11試件的顯微組織以及斷口形貌進(jìn)行了觀察。結(jié)果表明,初生等軸α晶和α-β片層晶群在頸縮區(qū)內(nèi)的局部塑性變形量可高達(dá)50%,且由于其晶體結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜性,內(nèi)部顯微組織呈現(xiàn)出明顯的非均勻變形現(xiàn)象。裂紋在初生α晶和α+β片層晶群內(nèi)部隨機(jī)穿過,斷口形貌由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇組成,三個(gè)區(qū)域依次對應(yīng)觀察到較深的等軸韌窩、較淺的韌窩和拋物狀韌窩,TC11拉伸斷裂機(jī)理為典型的韌性斷裂。TC11的顯微斷裂應(yīng)變遠(yuǎn)大于其失穩(wěn)應(yīng)變值,且隨著溫度的升高或應(yīng)變率的提高而增大,呈現(xiàn)出高溫高速韌現(xiàn)象。3.結(jié)合TC11拉伸力學(xué)行為的特征,提出了一個(gè)修正的Johnson-Cook宏觀唯象本構(gòu)模型。修正模型計(jì)及了高應(yīng)變率加載時(shí)絕熱溫升對材料應(yīng)變硬化率的軟化效應(yīng),以及溫度和應(yīng)變率對初始屈服應(yīng)力和應(yīng)變硬化行為不同的影響�；赥C11在不同溫度和應(yīng)變率加載時(shí)的等溫和絕熱應(yīng)力-應(yīng)變曲線,確定了修正Johnson-Cook模型的材料參數(shù),并利用變溫度和變應(yīng)變率加載試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該修正模型的有效性。模型擬合結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,說明該修正模型能較好地表征TC11在較寬溫度和應(yīng)變率范圍內(nèi)的拉伸力學(xué)行為。4.基于經(jīng)典晶體塑性理論和等應(yīng)力均勻化方法建立了初生α晶和α+β片層晶群的各向異性本構(gòu)表征；利用隨機(jī)程序和有限元結(jié)合的辦法生成了計(jì)及初生α晶和α+β片層晶群的種類及其取向分布規(guī)律的細(xì)觀數(shù)值模型；通過對模型參數(shù)進(jìn)行合理預(yù)置和約束,確定了α+β型鈦合金拉伸應(yīng)力-應(yīng)變行為與滑移系的初始臨界切應(yīng)力以及初始硬化模量的對應(yīng)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上,利用插值優(yōu)化的辦法給出了各滑移系的初始臨界切應(yīng)力值,模擬了不同溫度和應(yīng)變率加載時(shí)TC11的拉伸變形行為。數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果重合較好,表明本文所建立的α+β型鈦合金的細(xì)觀數(shù)值模型能夠較好地表征TC11的溫度和應(yīng)變率相關(guān)的拉伸力學(xué)行為。
【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】：2015
【分類號】：TG146.23
【圖文】：

}.籠習(xí)C護(hù)

的合金強(qiáng)化和變形強(qiáng)化外，還能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，即利用固溶、時(shí)效等手段使鏡逡逑發(fā)生相變，形成不同的顯微組織形貌，從而改善ａ＋Ｐ型鐵合金的力學(xué)性能［２，２０］。逡逑圖１．４給出了（Ｘ＋Ｐ型欽合金在不同的熱處理制度下所獲得的顯微姐織。由圖可見，逡逑ａ＋ｐ型錠合金的顯微組織種類眾多，依據(jù)兩相的比例、形態(tài)的不同，大致可Ｗ分逡逑為Ｗ下四類：等軸組織、網(wǎng)籃組織、雙態(tài)組織和魏氏組織。逡逑一般而言，等軸組織具有較好的塑性、熱穩(wěn)定性及更高的疲勞強(qiáng)度，但逡逑是其高濕持久和蠕變強(qiáng)度不高，沖擊和斷裂初性也較差；片層組織的持久強(qiáng)度、逡逑蠕變強(qiáng)度更高，斷裂初性更好，但其組織穩(wěn)定性卻不足；而等軸組織和片層結(jié)構(gòu)逡逑所組成的雙態(tài)組織，往往具有強(qiáng)度－塑性－初性－熱強(qiáng)性等性能的最佳綜合匹配，也逡逑是目前工程應(yīng)用最為廣泛的一類鐵合金組織。該類組織具有等軸和片層兩種形態(tài)逡逑的ａ相，其中片層ａ與片層Ｐ交替排列形成大的片層晶群，并且這些ａ或Ｐ片層的厚逡逑度從幾個(gè)納米到幾千納米不等。ＨＣＰ結(jié)構(gòu)的ａ相基面（０００１）與ＢＣＣ結(jié)構(gòu)Ｐ相的逡逑（１１０）面平行，＜ａ＞滑移系與Ｐ巧的伯格斯矢量也滿足一定的平行關(guān)系：逡逑口而］」［１喊

邐第一章緒論邐逡逑程極其復(fù)雜。送就給該問題的研究不論是從實(shí)驗(yàn)上還是材料非線性理論上都造成逡逑了巨大的困難，要完成這個(gè)目標(biāo)將是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。盡管如此，國內(nèi)外對ａ＋Ｐ逡逑型鐵合金的宏觀力學(xué)性能的溫度和應(yīng)變率相關(guān)性的實(shí)驗(yàn)研巧和宏觀表征已取得逡逑了許多重要的成果，同時(shí)其細(xì)觀力學(xué)行為和變形機(jī)理也有了一定的了解，并且形逡逑成了邋Ｗ晶體塑性理論為基礎(chǔ)的多晶體細(xì)觀數(shù)值模型的基本框架。逡逑

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本文編號：2785434