基于小冲杆试验的超声表面滚压TC4钛合金氢脆行为研究
发布时间：2021-10-18 17:58
TC4钛合金因为具有高强度、低密度及优越的抗腐蚀性能而被广泛地应用于航空航天、海洋工程等相关领域。然而,早期研究表明TC4处于富氢环境中时会发生明显的氢吸附现象,进而出现氢脆,导致其塑性、韧性降低。因此亟需寻找TC4抗氢脆工艺以提高其在深海等富氢环境下的服役寿命。据以往研究成果可知超声滚压技术能有效改善零件表面质量,经超声滚压处理的试样具有良好的抗疲劳性能,但目前还未出现过关于超声滚压处理对TC4抗氢脆性能影响的报道。为研究不同超声滚压遍数对TC4抗氢脆性能的影响,本文讨论了超声滚压遍数对其表面性能的影响及微观结构的变化。然后通过对TC4基体进行在线充氢小冲杆试验及在线充氢拉伸试验得到了载荷-位移曲线及应力-应变曲线,拟合这两类曲线的相关数据得到了小冲杆试验法评价TC4拉伸性能的经验关联式,根据求得的经验关联式计算了不同滚压遍数TC4充氢前后力学性能的变化。最后结合微观形貌、力学性能的变化及充氢前后的断口形貌,分析了超声滚压遍数对TC4氢脆行为的影响规律及机理,主要成果如下:（1）自行设计加工出小冲杆夹具及在线电解充氢装置,并将其应用于实验中,避免了预充氢可能出现的氢逸出现象,得到了更...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
TC4组织结构(a)双态组织(b)等轴组织(c)片状组织(d)网篮组织
硕士学位论文6图1-2超声滚压原理Figure1-2Ultrasonicrollingprinciple超声波发生器将交流电信号转换为高频电振动信号后，利用换能器将其转变为同频率的机械振动，然后由变幅杆将该机械振动的振幅放大并传递给工具头。工具头外形是一个可旋转的球形，一般由碳化钨、钴等硬质合金材料制成，这样子就将滑动摩擦改为了滚动摩擦，极大地降低了工具头与试样被滚压表面的摩擦力，保证了超声滚压过程中良好的稳定接触状态，延长了超声滚压工具头的寿命[40-41]。超声滚压时，球形工具头在垂直于被滚压表面方向施加一定的超声振动和静压力，在动态冲击和的静态挤压双重作用下，被滚压表面发生弹、塑性变形，产生具有一定深度、均匀且变形严重的塑性变形层[42]。加工过程中所产生的塑性流动能够填平材料表层的波谷，提高其显微硬度，降低表面粗糙度，同时引入一定的的残余压应力，有利于提高材料的疲劳强度、耐磨性及耐腐蚀性。1.3.2超声滚压工艺超声滚压技术中主要影响工艺参数包括进给量、静载压力和滚压遍数等，不同工艺参数对超声滚压处理后材料的显微硬度、疲劳强度、表面粗糙度、残余压应力等性能的影响程度各不相同。BozdanaA．T[43]曾对TC4钛合金进行不同滚压速度处理，发现较低速度时试样表面粗糙度较小，当滚压速度增大时，表面粗糙度反倒增大，因为速度较低时，被滚压表面被均匀填平，而速度增大时却不能保证滚压力足够均匀。在LiuY[44]的研究中分析了滚压遍数引入的残余压应力的变化，发现表面残余压应力会随着滚压遍数增大而增大，当滚压12遍时甚至已经达到了基体表面残余压应力的两倍大校考虑到不同工艺参数对表面综合性能的影响不同，姚成霖[45]等通过正交试验法对比了不同的超声滚压工艺参数，利用正交试验结果得到了不同参数对超声滚?
1绪论7究了在不同加工参数下,18CrNiMo7-6齿轮钢进行超声滚压加工后表层质量的变化,并得出其显著性顺序为进给量、主轴转速、次数、振幅、静压力，超声滚压加工可以显著提高18CrNiMo7-6齿轮钢试样的表面性能。1.4小冲杆试验技术(SmallPunchTestTechnology)在极端恶劣环境工作时，如深海、核电站等高温高压高辐射场合，服役金属都可能在较长一段时间工作后出现不同程度的应力腐蚀及疲劳强度下降等损伤，因此，检测极端环境下长期服役装置的机械性能及评估其剩余的工作寿命意义重大。传统的检测手段包括取样试验和无损检测两类，前者是对工件进行破环性取样，然后进行相关性能检测，该方法不适用于在役设备，因为会对其结构完整性造成损伤。后者则不会损坏工件的本身结构、但只能实现对其缺陷及杂质的评测,无法定量评估工件的力学性能，被测工件的抗拉强度、屈服强度等具体数值均无法得到，不能准确判断待测工件是否达到合格标准。基于在役设备的定量力学性能检测需求，小冲杆试验(SPT)应运而生，它不仅可以实现对在役设备的无损取样，还可以通过数据拟合得到准确的各项力学性能具体数值。1.4.1小冲杆试验简介小冲杆试验技术是通过小冲杆缓慢施压于球形钢珠，球形钢珠再间接试压于薄片试样,薄片试样在该载荷下发生变形直到被突破断裂，记录下该过程中的薄片中心位移及加载载荷的变化曲线，根据该曲线即可对被测材料的相关力学性能进行拟合评定。图1-3小冲杆试验载荷-位移曲线Figure1-3Load-displacementcurveofSPT小冲杆试验所需的试样尺寸很小,直径边长要求在10mm左右,厚度要求在0.5mm左右。完成小冲杆试验后得到的典型载荷-位移曲线大致可分为4个阶段
【参考文献】：
期刊论文
[1]超声滚压参数对18CrNiMo7-6齿轮钢表面性能的影响[J]. 刘治华,张天增,杨孟俭,张银霞,王栋. 表面技术. 2020(03)
[2]可摘式钛合金牙周夹板修复治疗牙周病的临床效果分析[J]. 孙景杨,沈菊香. 临床和实验医学杂志. 2019(24)
[3]TC4钛合金仿生骨植入体单元结构力学性能分析[J]. 陈轲,云忠,周俊. 机械科学与技术. 2020(08)
[4]原子力显微镜的基本原理及应用[J]. 赵春花. 化学教育(中英文). 2019(04)
[5]钛合金体育器械的超塑性变形行为研究[J]. 谢冬,冯兰. 热加工工艺. 2018(24)
[6]钛合金体育器材的低周疲劳行为研究[J]. 薛海涛,梁乐杰,杜威,杨朔. 塑性工程学报. 2018(06)
[7]超声滚压加工6163铝合金的表面粗糙度研究[J]. 姚成霖,童景琳,焦锋,封志彬. 工具技术. 2017(08)
[8]激光喷丸对TC4钛合金抗氢脆性能的影响[J]. 王祥,周建忠,黄舒,盛杰,郑阳,Emmanuel Agyenim-Boateng,郭华锋. 光学学报. 2017(09)
[9]超声滚压光整加工参数对45钢表面粗糙度和硬度的影响[J]. 宋锦春,贾志强,张敏鑫. 制造技术与机床. 2016(11)
[10]超声横向激励下轴向运动金刚石线锯振动切割分析[J]. 李伦,李淑娟,汤奥斐,李言. 兵工学报. 2014(10)
博士论文
[1]超声滚压对Ti-6Al-4V合金高低周疲劳性能影响研究[D]. 毛淼东.华东理工大学 2018
[2]双相多晶钛合金微观塑性变形机理与组织演化的定量研究[D]. 何东.哈尔滨工业大学 2012
硕士论文
[1]表面喷丸处理对低合金钢氢扩散和氢脆影响研究[D]. 周志凌.中国矿业大学 2019
[2]TC4钛合金超声冲击表面纳米化及高温退火组织与性能研究[D]. 王锦.西安理工大学 2018
[3]激光喷丸强化316L不锈钢抗氢脆性能研究[D]. 郑阳.江苏大学 2016
[4]高能重离子辐照的ODS钢断裂韧性的研究[D]. 刘娟.中国科学院研究生院（近代物理研究所） 2015
[5]在役加氢反应器微试样现场取样可行性研究[D]. 陈亮.华东理工大学 2015
[6]小冲杆试验方法评价材料低温力学性能的研究[D]. 陈建涛.华东理工大学 2012
[7]高强高韧损伤容限钛合金热机械处理工艺研究[D]. 周宇.天津大学 2005
本文编号：3443235
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
TC4组织结构(a)双态组织(b)等轴组织(c)片状组织(d)网篮组织
硕士学位论文6图1-2超声滚压原理Figure1-2Ultrasonicrollingprinciple超声波发生器将交流电信号转换为高频电振动信号后，利用换能器将其转变为同频率的机械振动，然后由变幅杆将该机械振动的振幅放大并传递给工具头。工具头外形是一个可旋转的球形，一般由碳化钨、钴等硬质合金材料制成，这样子就将滑动摩擦改为了滚动摩擦，极大地降低了工具头与试样被滚压表面的摩擦力，保证了超声滚压过程中良好的稳定接触状态，延长了超声滚压工具头的寿命[40-41]。超声滚压时，球形工具头在垂直于被滚压表面方向施加一定的超声振动和静压力，在动态冲击和的静态挤压双重作用下，被滚压表面发生弹、塑性变形，产生具有一定深度、均匀且变形严重的塑性变形层[42]。加工过程中所产生的塑性流动能够填平材料表层的波谷，提高其显微硬度，降低表面粗糙度，同时引入一定的的残余压应力，有利于提高材料的疲劳强度、耐磨性及耐腐蚀性。1.3.2超声滚压工艺超声滚压技术中主要影响工艺参数包括进给量、静载压力和滚压遍数等，不同工艺参数对超声滚压处理后材料的显微硬度、疲劳强度、表面粗糙度、残余压应力等性能的影响程度各不相同。BozdanaA．T[43]曾对TC4钛合金进行不同滚压速度处理，发现较低速度时试样表面粗糙度较小，当滚压速度增大时，表面粗糙度反倒增大，因为速度较低时，被滚压表面被均匀填平，而速度增大时却不能保证滚压力足够均匀。在LiuY[44]的研究中分析了滚压遍数引入的残余压应力的变化，发现表面残余压应力会随着滚压遍数增大而增大，当滚压12遍时甚至已经达到了基体表面残余压应力的两倍大校考虑到不同工艺参数对表面综合性能的影响不同，姚成霖[45]等通过正交试验法对比了不同的超声滚压工艺参数，利用正交试验结果得到了不同参数对超声滚?
1绪论7究了在不同加工参数下,18CrNiMo7-6齿轮钢进行超声滚压加工后表层质量的变化,并得出其显著性顺序为进给量、主轴转速、次数、振幅、静压力，超声滚压加工可以显著提高18CrNiMo7-6齿轮钢试样的表面性能。1.4小冲杆试验技术(SmallPunchTestTechnology)在极端恶劣环境工作时，如深海、核电站等高温高压高辐射场合，服役金属都可能在较长一段时间工作后出现不同程度的应力腐蚀及疲劳强度下降等损伤，因此，检测极端环境下长期服役装置的机械性能及评估其剩余的工作寿命意义重大。传统的检测手段包括取样试验和无损检测两类，前者是对工件进行破环性取样，然后进行相关性能检测，该方法不适用于在役设备，因为会对其结构完整性造成损伤。后者则不会损坏工件的本身结构、但只能实现对其缺陷及杂质的评测,无法定量评估工件的力学性能，被测工件的抗拉强度、屈服强度等具体数值均无法得到，不能准确判断待测工件是否达到合格标准。基于在役设备的定量力学性能检测需求，小冲杆试验(SPT)应运而生，它不仅可以实现对在役设备的无损取样，还可以通过数据拟合得到准确的各项力学性能具体数值。1.4.1小冲杆试验简介小冲杆试验技术是通过小冲杆缓慢施压于球形钢珠，球形钢珠再间接试压于薄片试样,薄片试样在该载荷下发生变形直到被突破断裂，记录下该过程中的薄片中心位移及加载载荷的变化曲线，根据该曲线即可对被测材料的相关力学性能进行拟合评定。图1-3小冲杆试验载荷-位移曲线Figure1-3Load-displacementcurveofSPT小冲杆试验所需的试样尺寸很小,直径边长要求在10mm左右,厚度要求在0.5mm左右。完成小冲杆试验后得到的典型载荷-位移曲线大致可分为4个阶段
【参考文献】：
期刊论文
[1]超声滚压参数对18CrNiMo7-6齿轮钢表面性能的影响[J]. 刘治华,张天增,杨孟俭,张银霞,王栋. 表面技术. 2020(03)
[2]可摘式钛合金牙周夹板修复治疗牙周病的临床效果分析[J]. 孙景杨,沈菊香. 临床和实验医学杂志. 2019(24)
[3]TC4钛合金仿生骨植入体单元结构力学性能分析[J]. 陈轲,云忠,周俊. 机械科学与技术. 2020(08)
[4]原子力显微镜的基本原理及应用[J]. 赵春花. 化学教育(中英文). 2019(04)
[5]钛合金体育器械的超塑性变形行为研究[J]. 谢冬,冯兰. 热加工工艺. 2018(24)
[6]钛合金体育器材的低周疲劳行为研究[J]. 薛海涛,梁乐杰,杜威,杨朔. 塑性工程学报. 2018(06)
[7]超声滚压加工6163铝合金的表面粗糙度研究[J]. 姚成霖,童景琳,焦锋,封志彬. 工具技术. 2017(08)
[8]激光喷丸对TC4钛合金抗氢脆性能的影响[J]. 王祥,周建忠,黄舒,盛杰,郑阳,Emmanuel Agyenim-Boateng,郭华锋. 光学学报. 2017(09)
[9]超声滚压光整加工参数对45钢表面粗糙度和硬度的影响[J]. 宋锦春,贾志强,张敏鑫. 制造技术与机床. 2016(11)
[10]超声横向激励下轴向运动金刚石线锯振动切割分析[J]. 李伦,李淑娟,汤奥斐,李言. 兵工学报. 2014(10)
博士论文
[1]超声滚压对Ti-6Al-4V合金高低周疲劳性能影响研究[D]. 毛淼东.华东理工大学 2018
[2]双相多晶钛合金微观塑性变形机理与组织演化的定量研究[D]. 何东.哈尔滨工业大学 2012
硕士论文
[1]表面喷丸处理对低合金钢氢扩散和氢脆影响研究[D]. 周志凌.中国矿业大学 2019
[2]TC4钛合金超声冲击表面纳米化及高温退火组织与性能研究[D]. 王锦.西安理工大学 2018
[3]激光喷丸强化316L不锈钢抗氢脆性能研究[D]. 郑阳.江苏大学 2016
[4]高能重离子辐照的ODS钢断裂韧性的研究[D]. 刘娟.中国科学院研究生院（近代物理研究所） 2015
[5]在役加氢反应器微试样现场取样可行性研究[D]. 陈亮.华东理工大学 2015
[6]小冲杆试验方法评价材料低温力学性能的研究[D]. 陈建涛.华东理工大学 2012
[7]高强高韧损伤容限钛合金热机械处理工艺研究[D]. 周宇.天津大学 2005
本文编号：3443235
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