网状结构TiB w /TA15复合材料热变形行为模拟及组织性能演变
发布时间：2021-04-06 16:57
开发钛合金复合材料有望解决航空航天领域对服役温度为600-800℃的轻质高强材料的需求。得益于特殊的增强相空间分布,网状结构钛基复合材料具有优异的综合力学性能,并且可以通过热加工进一步实现材料的组织调控和力学性能的优化。然而在热变形过程中,增强相网状结构演变将对力学性能产生重要的影响。本文首先采用Deform-3D有限元软件对圆柱、圆环以及法兰类零件镦粗热变形行为进行模拟,并选定圆环镦粗热变形方案开展实验以研究应变状态-增强相网状结构演变-力学性能之间的关系。圆柱镦粗热变形模拟结果表明材料径向流动速率随变形压下量的增大或圆柱坯料形状因子的减小而增大。其次,定量计算了热变形过程中不同变形区域体积占比的变化情况,发现随着变形压下量的增大,难变形区体积占比持续减小,而易变形区体积占比先减小后增大,自由变形区体积占比先增大后减小。随着形状因子的增大,难变形区体积占比连续增大,易变性区先减小后增大,而自由变形区先增大后减小。提出了采用应变离散系数衡量变形均匀性,应变离散系数越小,变形均匀性越好。增大压下量或减小形状因子,将减小应变离散系数,导致应变分布更均匀。此外,随变形压下量的增大,单位体积成...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
非连续钛基复合材料和连续钛基复合材料示意图
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-1-2为其结构示意图，在宏观层面上，除增强相团聚区以棒状/层状/环状分布外，其它三种情形都表现出均匀分布的特性。本文研究的网状结构复合材料属于增强相团聚区网状分布而贫化区离散分布这一类型。图1-2增强相团聚结构示意图[14](插图为典型代表相应的SEM照片)(a)增强相团聚区离散分布(b)增强相团聚区以棒状/层状/环状分布(c)增强相团聚区网状分布而贫化区离散分布(d)增强相团聚区与贫化区双连通网状分布Hashin与Shtrikaman共同提出了著名的Hashin-Shtrikaman(H-S)理论[15]，理论分析表明增强相均匀分布不能获得最佳的强化效果。与增强相均匀分布相比，Conlon等人[16]从实验上证明增强相的团聚结构可以明显提高复合材料的压缩强度。因此，设计优化增强相非均匀分布结构成为强化钛基复合材料的一个重要研究方向，增强相三维准连续网状结构复合材料便是其中成功的案例。1.2.2网状结构复合材料根据H-S理论[16]，各向同性复合材料的弹性模量介于与之间，其具体表达式如下：=(+(2))+(2)(1-1)Lower=β(β(1)+α(1+))α(1)+β(1)(1-2)式中，和分别为复合材料弹性模量的上限与下限值，和分别为α相与β相的弹性模量，为α相的体积分数。弹性模量上限
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-对应的物理模型为硬相包围球形软相；弹性模量下限对应的物理模型为软相包围球形硬相。基于H-S上限结合理论，黄陆军等人[17]最早设计制备了准连续网状结构复合材料，其设计思路如图1-3所示。选取大颗粒钛粉与小尺寸TiB2颗粒，通过低能球磨，在不破坏钛粉形貌的前提下，使TiB2颗粒粘附在钛粉表面，在反应热压烧结条件下生成的TiBw均匀分布在钛合金粉末的“晶界”处，形成三维准连续网状结构。图1-3增强相三维准连续网状结构复合材料设计思路[14]通过对网状结构复合材料的微观组织表征及力学性能测试，可以发现与增强相均匀分布相比，其具有更高的强度和塑性，如图1-4所示[18]。网状结构材料优异的力学性能可以归纳为以下几方面:H-S上限结合与增强相三维空间准连续结构共同决定了其具有的良好的强化作用；较好的塑性可以归因于低能球磨避免基体吸氢、吸氧而脆化以及基体颗粒之间的连通，可以有效阻碍裂纹扩展和承载应变。图1-4钛基复合材料SEM图片及拉伸应力-应变曲线[18](a)增强相均匀分布(b)增强相网状结构分布(c)拉伸力学性能曲线为了调控网状结构复合材料的微观组织及提高其力学性能，研究人员开展了大量的工作，对球磨工艺参数、烧结工艺参数[19,20]、网状结构参数[21,22]等进行优化。其中需要特别注意的是局部增强相含量，对于网状结构复合材料，其力学性能不仅取决于整体增强相的含量，而且还受局部增强相含量的影响。研究结果表明，“晶界”TiBw富集区的宽度基本保持不变，根据文献[23]，整体增强相与局部
【参考文献】：
期刊论文
[1]Oxidation behaviors of TA15 titanium alloy and TiBw reinforced TA15 matrix composites prepared by spark plasma sintering[J]. Dongjun Wang,Hao Li,Wei Zheng. Journal of Materials Science & Technology. 2020(02)
[2]Head Curvature of Pure Titanium Sheet Influenced by Process Parameters and Controlling in Hot Rolling Process[J]. 于辉,LI Jun,LIU Ligang,肖宏. Journal of Wuhan University of Technology（Materials Science）. 2017(02)
[3]采用等径角挤扭工艺制备块体超细晶铝[J]. 王晓溪,薛克敏,李萍. 中国有色金属学报. 2014(06)
[4]热轧制变形对网状结构TiBw/Ti6Al4V复合材料组织与性能的影响[J]. 黄陆军,唐骜,戎旭东,耿林. 航空材料学报. 2013(02)
[5]Finite Element Analysis of Die Geometry and Process Conditions Effects on Equal Channel Angular Extrusion for β-Titanium Alloy[J]. SI Jia-yong1,2, GAO Fan3, ZHANG Ji3 (1. State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China; 2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China; 3. High Temperature Material Research Division, Central Iron and Steel Research Institute, Beijing 100081, China). Journal of Iron and Steel Research（International）. 2012(10)
[6]Lode参数的物理实质及其对塑性流动的影响[J]. 王仲仁. 固体力学学报. 2006(03)
[7]管料镦锻变形规律的物理模拟[J]. 俞彦勤,黄早文,夏巨谌,余明俊,徐智勇. 锻压技术. 2000(02)
硕士论文
[1]放电等离子烧结TiBw/TA15复合材料组织及性能研究[D]. 李浩.哈尔滨工业大学 2019
[2]基于DEFORM-3D的TC4钛合金微观组织模拟[D]. 李深克.南昌航空大学 2017
[3]金属体积塑性成形过程表面积演化的宏微观规律[D]. 唐泽旭.重庆大学 2017
[4]圆环镦粗分流面变化规律的研究[D]. 钟志龙.武汉理工大学 2015
[5]圆环镦粗成形有限元模拟研究[D]. 惠媛媛.西安理工大学 2005
本文编号：3121784
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
非连续钛基复合材料和连续钛基复合材料示意图
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-1-2为其结构示意图，在宏观层面上，除增强相团聚区以棒状/层状/环状分布外，其它三种情形都表现出均匀分布的特性。本文研究的网状结构复合材料属于增强相团聚区网状分布而贫化区离散分布这一类型。图1-2增强相团聚结构示意图[14](插图为典型代表相应的SEM照片)(a)增强相团聚区离散分布(b)增强相团聚区以棒状/层状/环状分布(c)增强相团聚区网状分布而贫化区离散分布(d)增强相团聚区与贫化区双连通网状分布Hashin与Shtrikaman共同提出了著名的Hashin-Shtrikaman(H-S)理论[15]，理论分析表明增强相均匀分布不能获得最佳的强化效果。与增强相均匀分布相比，Conlon等人[16]从实验上证明增强相的团聚结构可以明显提高复合材料的压缩强度。因此，设计优化增强相非均匀分布结构成为强化钛基复合材料的一个重要研究方向，增强相三维准连续网状结构复合材料便是其中成功的案例。1.2.2网状结构复合材料根据H-S理论[16]，各向同性复合材料的弹性模量介于与之间，其具体表达式如下：=(+(2))+(2)(1-1)Lower=β(β(1)+α(1+))α(1)+β(1)(1-2)式中，和分别为复合材料弹性模量的上限与下限值，和分别为α相与β相的弹性模量，为α相的体积分数。弹性模量上限
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-对应的物理模型为硬相包围球形软相；弹性模量下限对应的物理模型为软相包围球形硬相。基于H-S上限结合理论，黄陆军等人[17]最早设计制备了准连续网状结构复合材料，其设计思路如图1-3所示。选取大颗粒钛粉与小尺寸TiB2颗粒，通过低能球磨，在不破坏钛粉形貌的前提下，使TiB2颗粒粘附在钛粉表面，在反应热压烧结条件下生成的TiBw均匀分布在钛合金粉末的“晶界”处，形成三维准连续网状结构。图1-3增强相三维准连续网状结构复合材料设计思路[14]通过对网状结构复合材料的微观组织表征及力学性能测试，可以发现与增强相均匀分布相比，其具有更高的强度和塑性，如图1-4所示[18]。网状结构材料优异的力学性能可以归纳为以下几方面:H-S上限结合与增强相三维空间准连续结构共同决定了其具有的良好的强化作用；较好的塑性可以归因于低能球磨避免基体吸氢、吸氧而脆化以及基体颗粒之间的连通，可以有效阻碍裂纹扩展和承载应变。图1-4钛基复合材料SEM图片及拉伸应力-应变曲线[18](a)增强相均匀分布(b)增强相网状结构分布(c)拉伸力学性能曲线为了调控网状结构复合材料的微观组织及提高其力学性能，研究人员开展了大量的工作，对球磨工艺参数、烧结工艺参数[19,20]、网状结构参数[21,22]等进行优化。其中需要特别注意的是局部增强相含量，对于网状结构复合材料，其力学性能不仅取决于整体增强相的含量，而且还受局部增强相含量的影响。研究结果表明，“晶界”TiBw富集区的宽度基本保持不变，根据文献[23]，整体增强相与局部
【参考文献】：
期刊论文
[1]Oxidation behaviors of TA15 titanium alloy and TiBw reinforced TA15 matrix composites prepared by spark plasma sintering[J]. Dongjun Wang,Hao Li,Wei Zheng. Journal of Materials Science & Technology. 2020(02)
[2]Head Curvature of Pure Titanium Sheet Influenced by Process Parameters and Controlling in Hot Rolling Process[J]. 于辉,LI Jun,LIU Ligang,肖宏. Journal of Wuhan University of Technology（Materials Science）. 2017(02)
[3]采用等径角挤扭工艺制备块体超细晶铝[J]. 王晓溪,薛克敏,李萍. 中国有色金属学报. 2014(06)
[4]热轧制变形对网状结构TiBw/Ti6Al4V复合材料组织与性能的影响[J]. 黄陆军,唐骜,戎旭东,耿林. 航空材料学报. 2013(02)
[5]Finite Element Analysis of Die Geometry and Process Conditions Effects on Equal Channel Angular Extrusion for β-Titanium Alloy[J]. SI Jia-yong1,2, GAO Fan3, ZHANG Ji3 (1. State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China; 2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China; 3. High Temperature Material Research Division, Central Iron and Steel Research Institute, Beijing 100081, China). Journal of Iron and Steel Research（International）. 2012(10)
[6]Lode参数的物理实质及其对塑性流动的影响[J]. 王仲仁. 固体力学学报. 2006(03)
[7]管料镦锻变形规律的物理模拟[J]. 俞彦勤,黄早文,夏巨谌,余明俊,徐智勇. 锻压技术. 2000(02)
硕士论文
[1]放电等离子烧结TiBw/TA15复合材料组织及性能研究[D]. 李浩.哈尔滨工业大学 2019
[2]基于DEFORM-3D的TC4钛合金微观组织模拟[D]. 李深克.南昌航空大学 2017
[3]金属体积塑性成形过程表面积演化的宏微观规律[D]. 唐泽旭.重庆大学 2017
[4]圆环镦粗分流面变化规律的研究[D]. 钟志龙.武汉理工大学 2015
[5]圆环镦粗成形有限元模拟研究[D]. 惠媛媛.西安理工大学 2005
本文编号：3121784
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