【摘要】：鈦合金Ti-5553是一種新型亞穩(wěn)態(tài)β鈦合金,具有比強(qiáng)度高、偏析敏感度低、淬透性好、韌性好、彈性模量低等特點(diǎn)。Ti-5553材料具有的高強(qiáng)度、高韌性和較高化學(xué)活性導(dǎo)致其可切削加工性極差,主要表現(xiàn)在切削抗力大,切削溫度高,易與刀具粘結(jié),使刀具材料產(chǎn)生較為嚴(yán)重的化學(xué)性磨損。本文將從Ti-5553材料性能角度出發(fā),研究其高溫動態(tài)力學(xué)性能,建立其本構(gòu)模型;然后從氧化行為和擴(kuò)散行為兩個方面研究Ti-5553與刀具材料之間的化學(xué)匹配性;最后通過切削試驗(yàn)來研究Ti-5553鋸齒形切屑的絕熱剪切與其高溫動態(tài)力學(xué)性能之間的關(guān)系,同時分析刀具刃口區(qū)域的氧化與擴(kuò)散程度。主要研究內(nèi)容如下:通過Ti-5553的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)獲得的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線,分析材料在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮情況下的力學(xué)性能。通過Ti-5553的霍普金森壓桿試驗(yàn)獲得的不同應(yīng)變率和溫度下的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線,分析其應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)和熱軟化效應(yīng)。綜合準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)和霍普金森壓桿試驗(yàn)結(jié)果,基于回歸分析理論,建立Ti-5553的Johnson-Cook本構(gòu)模型,并對該模型進(jìn)行驗(yàn)證。對Ti-5553和非涂層硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金、PCBN復(fù)合片三種刀具材料在不同溫度下的氧化產(chǎn)物進(jìn)行XRD檢測,定量分析Ti-5553與工件材料的表面物質(zhì)在不同溫度下的氧化反應(yīng),利用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡分別觀測材料表面形態(tài)在宏觀與微觀的尺度上變化情況,對于材料在氧化前后的單位面積質(zhì)量進(jìn)行記錄,同時測量材料氧化前后的表面硬度變化趨勢,從以上五個方面綜合分析Ti-5553與刀具材料在高溫下的氧化規(guī)律。通過將Ti-5553分別與非涂層硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金、PCBN復(fù)合片刀具三種刀具材料穩(wěn)固裝夾后,共同放入高溫電阻爐中進(jìn)行定量的加熱保溫處理,定量研究Ti-5553與刀具材料之間的擴(kuò)散行為。利用掃描電鏡的EDS能譜分析功能對Ti-5553與刀具材料接觸面的橫斷面進(jìn)行線掃描,進(jìn)而分析材料內(nèi)相關(guān)元素在不同溫度下的相互擴(kuò)散性。采用非涂層硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金和PCBN三種材質(zhì)刀具對Ti-5553棒料進(jìn)行車削。結(jié)合Ti-5553的Johnson-Cook本構(gòu)模型對切屑形態(tài)變化規(guī)律分析。通過長時間的切削試驗(yàn),對不同材質(zhì)的刀具表面進(jìn)行能譜分析,分析了三種材料刀片前后刀面的氧化與擴(kuò)散程度分布。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG146.23
【圖文】：

因此鈦合金又可大致劃分為α型，α+β型和β型合金，進(jìn)一步細(xì)分還有近α型和亞穩(wěn)β型合金。其中亞穩(wěn)態(tài)β型合金是向鈦合金中加入一定量的β穩(wěn)定元素，快淬時鈦合金的β相不再轉(zhuǎn)變成馬氏體，而是出于處于α+β兩相區(qū)內(nèi)。亞穩(wěn)態(tài)β型鈦合金雖然塑性有所降低，但是強(qiáng)度和韌性得到極大提高，這類合金經(jīng)強(qiáng)化后甚至可以獲得 1400MPa 以上的強(qiáng)度[2]。鈦合金 Ti-5553 是 1996 年由美國波音公司和俄羅斯 VSMPO 在 VT22 的基礎(chǔ) 上 聯(lián) 合 研 制 的 高 強(qiáng) 高 韌 新 型 亞 穩(wěn) 態(tài) β 鈦 合 金 ， 名 義 成 分Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-0.5Fe。該合金已申請美國發(fā)明專利，專利號 US680024[3-4]。Ti-5553 密度為 4.67g/cm3，抗拉強(qiáng)度約為 1250MPa，硬度 40HRC，鉬當(dāng)量[Mo]eq=19.6%，β轉(zhuǎn)變溫度為 838℃。具有比強(qiáng)度高、偏析敏感度低、淬透性好、強(qiáng)度好、韌性好、模量低等優(yōu)點(diǎn)，目前已取代了多種傳統(tǒng)亞穩(wěn)態(tài)β鈦合金，成為國際上比較熱門的高強(qiáng)高韌鈦材[5]。由于其比強(qiáng)度高，所以優(yōu)先應(yīng)用于航空航天工業(yè)，比如波音 787 飛機(jī)起落架轉(zhuǎn)向架梁和飛機(jī)骨架結(jié)構(gòu)，空客 A380 飛機(jī)發(fā)動機(jī)艙吊掛接頭等高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)上均有應(yīng)用，在裝甲防護(hù)領(lǐng)域的研究應(yīng)用也在增加。Ti-5553 也有一些不足之處，如其密度增大，可加工范圍非常小，制作難度大，成本高等缺點(diǎn)，制約了其向更大范圍的應(yīng)用。

圖 2-1 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)試樣零件圖Fig.2-1 Part drawing of Ti-5553的 CSS 電子萬能試驗(yàn)機(jī)為單向壓縮方式，試驗(yàn)L 的曲線圖及其數(shù)據(jù)，將載荷 P 和位移ΔL 數(shù)據(jù)工程應(yīng)力、工程應(yīng)變：00PALL 應(yīng)力，ε為工程應(yīng)變，L0為試樣的初試長度。根據(jù)公式（2-12）可計(jì)算出真實(shí)應(yīng)力σt及真實(shí) 1ln 1tt

-1應(yīng)變率下的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖 2-2 所示：圖 2-2 Ti-5553 真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線（常溫 20℃，應(yīng)變率 0.001s-1）Fig.2-2 True stress and strain curve（20℃, 0.001s-1）由圖 2-2 可知：Ti-5553 在壓縮過程中沒有出現(xiàn)明顯的屈服現(xiàn)象，故將 0.2%塑性應(yīng)變時的應(yīng)力作為材料的屈服強(qiáng)度，用σ0.2表示。圖中，σ0.2=1256MPa，所以結(jié)合式（2-2）可知，J-C 本構(gòu)模型中 A=1256MPa。將（2-2）兩邊取對數(shù)，即獲得式（2-3）

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2793017