α钛合金TA7拉伸与压缩力学行为的温度和应变率相关性研究

发布时间：2020-06-27 10:47

【摘要】：TA7钛合金(Ti-5Al-2.5Sn合金)是使用最为广泛的α钛合金之一,由于具有诸多优异的物理化学特性,TA7钛合金被应用于许多工程领域。TA7钛合金作为结构材料在其加工制造、服役过程中可能会在高低温环境下承受高应变率加载,了解TA7钛合金在不同温度和应变率时的力学性能对其工程应用具有重要意义。包括钛合金在内的许多金属材料均表现出拉伸和压缩力学行为的不对称性,对金属拉压不对称性及其温度和应变率的相关性开展实验研究和分析对于材料的加工和应用也是必要的。本文对TA7钛合金在较大温度和应变率范围内的拉伸和压缩力学行为进行了较系统性的研究。对试验所用的退火TA7钛合金棒材的初始形貌进行了显微观察,观察显示材料中几乎全为α相等轴晶粒,退火棒材具有较弱的1210//RD丝织构特征。在较大的温度(-120～600℃)和应变率(0.001～1050s-1)范围内对TA7钛合金进行了单向拉伸试验,结果表明TA7钛合金拉伸力学行为具有显著的温度相关性和应变率相关性。TA7钛合金拉伸屈服应力随温度的升高而减小,拉伸应变硬化随温度的升高而略有增大;拉伸屈服应力随着应变率的增加而增大,拉伸应变硬化随着应变率的增加而减小。对单向拉伸后的TA7钛合金试样进行了 EBSD观察,结果显示TA7钛合金在单向拉伸加载下有少量的{1012}拉伸孪晶和{1122}压缩孪晶形成,分析表明单向拉伸加载时棒材中发生的滑移主要为柱面a滑移。通过动态拉伸加卸载试验得到了 TA7钛合金高应变率等温拉伸应力-应变响应,结果显示TA7钛合金高应变率拉伸塑性变形行为具有显著的绝热温升软化效应,等温应变硬化随应变率的增加而减小。基于TA7钛合金的宏观塑性变形特征,对物理基的VA本构模型进行了修正并用来表征TA7钛合金的拉伸应力-应变响应,结果显示修正的VA本构模型能较好地表征TA7钛合金温度和应变率相关的拉伸力学行为。对TA7钛合金在不同温度(-70～300℃)和应变率(0.001～3000s-1)条件下进行了单向压缩试验,结果显示TA7钛合金单向压缩力学行为亦具有显著的温度相关性和应变率相关性。TA7钛合金压缩屈服应力随温度升高而显著减小,压缩应变硬化随温度升高而略有增大;压缩屈服应力随应变率的增加而显著增大,压缩应变硬化随着应变率的增加而减小。对压缩加载后的试样进行了 EBSD观察,结果显示TA7钛合金在单向压缩塑性变形过程中会生成{1012}拉伸孪晶和{1121}拉伸孪晶,且孪晶更容易在低温和高应变率下形成。使用修正的VA本构方程对TA7钛合金的压缩应力-应变响应进行了表征,结果显示该本构方程能较好地描述TA7钛合金在不同温度和应变率压缩加载下的力学行为。对TA7钛合金单向拉伸和单向压缩应力-应变响应进行了对比分析,结果显示TA7钛合金的力学行为表现出明显的拉压不对称,拉伸屈服应力和拉伸应变硬化均低于压缩屈服应力和压缩应变硬化。TA7钛合金的屈服应力和应变硬化的拉压不对称性在高应变率加载时更加显著,而温度对拉压不对称性没有显著影响。对TA7钛合金拉伸和压缩加载时的细观塑性变形特征进行了比较,并对拉压不对称性的机理进行了简要分析。显微观察结果显示,拉伸试样的孪晶密度比压缩试样的孪晶密度更低,且拉伸和压缩试样中孪晶的种类也有差异,这是TA7钛合金宏观应力-应变响应具有拉压不对称性的原因之一。文献结果表明,α钛的锥面c+a滑移具有拉压不对称性,这也是TA7钛合金宏观应力-应变响应出现拉压不对称性的原因之一。基于退火TA7钛合金棒材的初始织构特征建立了多晶塑性有限元模型,考察了模型的几何参数和物理参数对模型计算结果的影响,特别是锥面c+a滑移的相关参数的拉压不对称性对宏观应力-应变响应的影响,验证了模型的有效性。数值计算结果表明,采用该晶体塑性有限元模型能较好地模拟TA7钛合金棒材在拉伸和压缩加载下的宏观力学行为以及织构演化。在此基础上,研究了 TA7钛合金的细观塑性变形机制,结果表明,柱面滑移是TA7钛合金的主要塑性变形形式,柱面滑移所占比例随着塑性变形的发展而逐渐降低,而基面滑移和锥面滑移所占比例随着塑性变形的进行而增大;塑性变形过程中晶粒的取向会发生显著的改变。TA7钛合金中滑移系的剪切变形使得材料织构的演化表现出拉压不对称性,最终对TA7钛合金宏观应力-应变响应的拉压不对称性产生贡献。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG146.23
【图文】：

是晶体最常见的塑性变形形式之一，ｃｔ钛邋ａ邋滑移系、｛0Ｉｌ0｝＜２ｌＩ0＞柱面《邋滑移系沿《方向的滑移系仅能协调ＨＣＰ结构晶形形式来协调ＨＣＰ结构晶体沿ｃ方向的钛重要的滑移系之一［｜２－１６】。对于密排六方｛０１１１｝和二级锥面｛２订２｝上发生，研究向于在一级锥面｛０１１１｝上发生［１７１。ａ钛如图１．２ａ）所示。晶体的滑移是滑移面上，因此各滑移系发生的难易程度可以使用临移系发生滑移时滑移面上沿滑移方向所需性变形形式在塑性变形过程中越容易发最密排面，最容易发生滑移的方向为最密ＨＣＰ结构金属的最密排面和最密排方向常数为和ｃ＝０．４６８ｎｍ，轴比ｃ／＿

子的加入还会增大ａ钛的拉伸应变硬化率［４２Ｕ铝（Ａ１）原子的加入会显著提高《钛逡逑合金的晶格常数，进而改变ＨＣＰ晶体的轴比ｃ／ａ，如图１．５所示［４４］。在较小的浓逡逑度范围内《钛合金的轴比Ｃ／？随着铝原子质量浓度增大而显著增大，这将提高逡逑ＨＣＰ晶格的基面密排度、降低基面堆垛层错能，使得基面上的位错更易于启动［２３－逡逑４５４７］。除了滑移之外，Ａ１原子的加入也会对ａ钛合金中孪晶的形成造成影响［４＼逡逑Ｗｉｌｌｉａｍｓ等对不同Ａ１原子含量的《钛单晶沿不同方向进行了加载，结果显示提逡逑高温度和Ａ１含量会抑制孪晶的生成，平行于＾轴压缩时，塑性变形模式随Ａ１含逡逑量的增大而从孪晶逐渐转变为锥面滑移，此外在最高Ａ１含量的《钛中基逡逑面滑移比柱面滑移更容易发生［４９］。Ｌｉ等对多晶纯钛和Ｔｉ－５Ａｌ－２．５Ｓｎ合金的单轴逡逑拉伸及拉伸蠕变试验表明，Ｔｉ－５Ａｌ－２．５Ｓｎ合金的基面滑移比多晶纯钛的基面滑移逡逑更容易发生，而多晶纯钛的锥面＜＾＋＜｜＞滑移和孪晶则比Ｔｉ－５Ａｌ－２．５Ｓｎ合金的锥面逡逑＜ｃ＋＜ｉ＞滑移和孪晶更容易发生［２２］。从图１．５中还可以看到锡（Ｓｉｉ）元素的加入也会逡逑显著改变《钛合金的轴比ｃ／ａ的值，与铝元素相同，这也会改变《钛合金的塑性逡逑变形行为。逡逑－Ｍｅａｓｕｒｅｄ逡逑

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本文编号：2731728