基于双相特征的Ti-6Al-4V钛合金微观变形行为研究

发布时间：2020-08-25 01:23

【摘要】：我国是钛工业大国,但受加工技术水平限制,我国钛工业面临大而不强的局面,很难生产出性能满足要求且能够长期稳定服役的钛合金产品,高端钛加工材严重依赖进口。对钛合金基础研究的缺失是造成当前局面的根本原因。本文以Ti-6Al-4V钛合金为研究对象开展基础性研究,考虑钛合金的双相特征从微观层面探讨合金微观组织结构特征与宏观力学性能之间的对应关系,对于更好地理解钛合金的变形机理、提高综合力学性能、充分发挥材料的优点具有一定的理论意义。以Ti-6Al-4V钛合金板材为试样,考虑相变特点对钛合金进行热处理以制备不同组成相比例和尺寸试样,分析热处理工艺制度对钛合金显微组织及力学性能的影响规律。固溶温度在钛合金相变点以下时微观组织由初生α相和β转变组织构成,且β转变组织含量随固溶温度的升高逐渐增多,钛合金强度和显微硬度也随之提升,延伸率则逐渐降低;固溶温度超过钛合金相变点后,钛合金强度、延伸率和显微硬度均明显降低。随冷却速度的加快,钛合金晶粒尺寸逐渐变小,对应的强度、硬度逐渐提升,而延伸率则降低。根据Ti-6Al-4V钛合金高温β相区和(α+β)两相区的本构模型,推导得到高温时Ti-6Al-4V钛合金中α相和β相的应力-应变关系曲线。考虑室温变形时Ti-6Al-4V钛合金中初生α相和β转变组织不均匀变形引起的几何必须位错建立了室温时初生α相的应力-应变关系模型,模型将晶粒尺寸、相含量引入其中,更加有助于从微观层面研究钛合金的变形行为。基于纳米压痕载荷曲线获得β转变组织的关键力学性能参数并建立室温时的应力-应变关系模型。研究了Ti-6Al-4V钛合金900℃高温变形时α相和β相的加工硬化率、应力-应变分配系数、应力比、应变比以及宏观应力和应变贡献率的变化规律。β相和α相分别在宏观应变约为0.07和0.14时出现应变软化现象,且α相和钛合金在同一时刻开始出现应变软化现象,可见α相的应变软化行为在钛合金变形中发挥着重要作用;随变形的进行,组成相应力-应变分配系数逐渐降低,最终趋于稳定,表明组成相变形的协调性达到相对稳定;在整个变形过程中α相承担着比其体积分数更多的应力,β相承担着比其体积分数更多的应变。利用MSC.Marc有限元软件,根据Ti-6Al-4V钛合金真实的微观组织图像建立微观力学有限元模型。模拟室温拉伸时初生α相和β转变组织内应变和应力的分布及其演变规律。结果表明,组成相之间的应变和应力分配差异较大,应变主要由较软初生α相承担,而应力主要由较硬β转变组织承担。宏观应变为0.05时,与拉伸方向成45°的方向上出现了变形带,初生α相临近β转变组织的部位出现了应力集中,当宏观应变增大至0.10时,变形带和应力集中现象变得更加显著。在宏观变形不同阶段,组成相的应变和应力集中因子存在较大不同,但最终它们均趋于稳定。Ti-6Al-4V钛合金的疲劳寿命与微观组织不均匀引起的局部应变集中存在紧密联系,通过有限元方法分析了钛合金的周期塑性变形行为。循环加载后,钛合金宏观层面虽然未发生变形,但微观组织内部出现了可观的等效塑性应变。在初生α相内与β转变组织交界处出现了应变集中,该区域在循环载荷下容易出现塑性损伤,进而萌生疲劳裂纹。随初生α相体积分数增加、晶粒尺寸减小,加载应变幅度降低、应变比增大,可降低钛合金循环加载时微观组织内部的等效塑性应变,提升抗疲劳性能。本文考虑Ti-6Al-4V钛合金的双相特征从微观层面系统研究了高温压缩、室温拉伸以及周期加载过程中钛合金内部组成相的变形行为,对于优化钛合金的组织性能能够提供一定的理论指导。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.23
【图文】：

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第1章绪论及研究的目的和意义与钢铁、铝合金、镁合金等金属材料相比较而言具有性强、耐热性和低温性能好等，基于这些突出优点钛金属”，在国防工业和民用工业中有广泛的应用前景经过多年发展已取得了长足进步，钛产能及产量在世国钛加工材每年的生产总量将近 5 万吨，2017 年达已经是名副其实地钛工业大国。但受加工技术水平的大而不强[4,5]。如图 1-1 所示为 2017 年我国钛加工材

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燕山大学工学博士学位论文前局面的根本原因，很难生产出性能满足要求与国际钛合金强国的先进工艺与技术相比，我国差距，虽然已掌握共性的研究方法，但对钛合金进一步提升。钛合金专家赵永庆指出，我国针对合金强国落后很多，如国外对老牌的 Ti-6Al-4V，基本掌握了钛合金加工工艺与微观组织、力研究工作极大提升了 Ti-6Al-4V 钛合金的力学性范围，但我国很少有学者针对老牌钛合金开展合金工艺技术的落后状态，中国工程院院士周工作时需要将重点放在基础研究以及组织性能术的合金设计及其生产加工分析等方向上[7]。

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对于更好地理解钛合金的变形机理、提高综合力学性能、充分发挥材料有一定的理论意义，同时可对钛合金组织性能的调控提供有效指导，为钛合能的数据积累提供帮助。Ti-6Al-4V 双相钛合金简介1 钛的相变及钛合金分类.1 钛的同素异晶转变金属材料发生相变会改变材料的微观组织形态进而影响材料的宏观力学性研究钛合金的相变特征和规律，再结合一定的热处理手段可以实现钛合金的调控，对于提升钛合金的宏观力学性能、充分挖掘合金的潜能具有重要的际意义。钛具有两种同素异构体，分别称为 α 钛和 β 钛，如图 1-3 所示为两构体的晶体结构图。当温度低于 882.5℃时以 α 钛的形式存在，为密排六方度超过 882.5℃，α 钛转变成为 β 钛，为体心立方结构。

【参考文献】