两相钛合金拉伸力学行为的研究

发布时间：2020-08-08 10:18

【摘要】：轻质高强的α+β型钛合金在军事和民用领域内具有广泛的应用,这类合金在服役过程中往往会遇到极端环境和极端加载条件,因此必须对α+β钛合金力学性能的准确测试和有效表征开展系统的研究。本文针对两相钛合金TC11在较宽温度和应变率范围内的拉伸力学行为进行了实验、宏观表征和细观数值模拟等研究,主要工作包含如下几个方面：1.对高应变率拉伸加卸载试验系统进行了改进,设计了变截面前置金属短杆和高刚度的限位机构,实现了更高应变率的冲击拉伸加卸载试验。对TC11实施了环境温度213～873K、应变率0.001～1150 s-1范围内拉伸力学行为的实验研究。利用冲击拉伸试验系统获得了高应变率(102～103S-1)范围内TC11的绝热应力-应变曲线,利用冲击拉伸复元试验技术获得了高应变率范围内的等温应力-应变曲线,利用冲击拉伸加卸载试验技术实施了变温度和变应变率测试。试验结果表明,TC11是典型的弹塑性材料,其拉伸力学行为呈现出明显的温度和应变率敏感特征,具体表现如下：初始屈服应力随应变率的提高而增大,其力学行为呈现出明显的应变率强化效应,且在中应变率范围,呈现出应变率不敏感向应变率敏感的转折；初始屈服应力随温度的升高而减小,其力学行为呈现出明显的温度软化效应,但在573-723K出现一个“反常温度区间”,即初始屈服应力表现出对温度的不敏感；等温塑性硬化行为在测试的温度和应变率范围内呈现出温度和应变率不敏感特征,高应变率加载下的瞬态绝热温升是引起材料应变硬化率明显降低的主要原因；变温度和变应变率测试结果表明,高应变率加载时材料内的热功转换系数约为0.9,且其拉伸力学行为无明显的温度和应变率历史效应。2.对拉伸变形后TC11试件的显微组织以及断口形貌进行了观察。结果表明,初生等轴α晶和α-β片层晶群在颈缩区内的局部塑性变形量可高达50%,且由于其晶体结构和应力状态的复杂性,内部显微组织呈现出明显的非均匀变形现象。裂纹在初生α晶和α+β片层晶群内部随机穿过,断口形貌由纤维区、放射区和剪切唇组成,三个区域依次对应观察到较深的等轴韧窝、较浅的韧窝和抛物状韧窝,TC11拉伸断裂机理为典型的韧性断裂。TC11的显微断裂应变远大于其失稳应变值,且随着温度的升高或应变率的提高而增大,呈现出高温高速韧现象。3.结合TC11拉伸力学行为的特征,提出了一个修正的Johnson-Cook宏观唯象本构模型。修正模型计及了高应变率加载时绝热温升对材料应变硬化率的软化效应,以及温度和应变率对初始屈服应力和应变硬化行为不同的影响。基于TC11在不同温度和应变率加载时的等温和绝热应力-应变曲线,确定了修正Johnson-Cook模型的材料参数,并利用变温度和变应变率加载试验结果验证了该修正模型的有效性。模型拟合结果和试验结果吻合较好,说明该修正模型能较好地表征TC11在较宽温度和应变率范围内的拉伸力学行为。4.基于经典晶体塑性理论和等应力均匀化方法建立了初生α晶和α+β片层晶群的各向异性本构表征；利用随机程序和有限元结合的办法生成了计及初生α晶和α+β片层晶群的种类及其取向分布规律的细观数值模型；通过对模型参数进行合理预置和约束,确定了α+β型钛合金拉伸应力-应变行为与滑移系的初始临界切应力以及初始硬化模量的对应关系。在此基础上,利用插值优化的办法给出了各滑移系的初始临界切应力值,模拟了不同温度和应变率加载时TC11的拉伸变形行为。数值模拟结果与试验结果重合较好,表明本文所建立的α+β型钛合金的细观数值模型能够较好地表征TC11的温度和应变率相关的拉伸力学行为。
【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】：2015
【分类号】：TG146.23
【图文】：

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的合金强化和变形强化外，还能进行热处理强化，即利用固溶、时效等手段使镜逡逑发生相变，形成不同的显微组织形貌，从而改善ａ＋Ｐ型铁合金的力学性能［２，２０］。逡逑图１．４给出了（Ｘ＋Ｐ型钦合金在不同的热处理制度下所获得的显微姐织。由图可见，逡逑ａ＋ｐ型锭合金的显微组织种类众多，依据两相的比例、形态的不同，大致可Ｗ分逡逑为Ｗ下四类：等轴组织、网篮组织、双态组织和魏氏组织。逡逑一般而言，等轴组织具有较好的塑性、热稳定性及更高的疲劳强度，但逡逑是其高湿持久和蠕变强度不高，冲击和断裂初性也较差；片层组织的持久强度、逡逑蠕变强度更高，断裂初性更好，但其组织稳定性却不足；而等轴组织和片层结构逡逑所组成的双态组织，往往具有强度－塑性－初性－热强性等性能的最佳综合匹配，也逡逑是目前工程应用最为广泛的一类铁合金组织。该类组织具有等轴和片层两种形态逡逑的ａ相，其中片层ａ与片层Ｐ交替排列形成大的片层晶群，并且这些ａ或Ｐ片层的厚逡逑度从几个纳米到几千纳米不等。ＨＣＰ结构的ａ相基面（０００１）与ＢＣＣ结构Ｐ相的逡逑（１１０）面平行，＜ａ＞滑移系与Ｐ巧的伯格斯矢量也满足一定的平行关系：逡逑口而］」［１喊

逦第一章绪论逦逡逑程极其复杂。送就给该问题的研究不论是从实验上还是材料非线性理论上都造成逡逑了巨大的困难，要完成这个目标将是一个极大的挑战。尽管如此，国内外对ａ＋Ｐ逡逑型铁合金的宏观力学性能的温度和应变率相关性的实验研巧和宏观表征已取得逡逑了许多重要的成果，同时其细观力学行为和变形机理也有了一定的了解，并且形逡逑成了邋Ｗ晶体塑性理论为基础的多晶体细观数值模型的基本框架。逡逑

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本文编号：2785434