Ti-5553高温动态力学性能及其与刀具材料匹配性试验研究

发布时间：2020-08-14 12:15

【摘要】：钛合金Ti-5553是一种新型亚稳态β钛合金,具有比强度高、偏析敏感度低、淬透性好、韧性好、弹性模量低等特点。Ti-5553材料具有的高强度、高韧性和较高化学活性导致其可切削加工性极差,主要表现在切削抗力大,切削温度高,易与刀具粘结,使刀具材料产生较为严重的化学性磨损。本文将从Ti-5553材料性能角度出发,研究其高温动态力学性能,建立其本构模型;然后从氧化行为和扩散行为两个方面研究Ti-5553与刀具材料之间的化学匹配性;最后通过切削试验来研究Ti-5553锯齿形切屑的绝热剪切与其高温动态力学性能之间的关系,同时分析刀具刃口区域的氧化与扩散程度。主要研究内容如下:通过Ti-5553的准静态压缩试验获得的真实应力-应变曲线,分析材料在准静态压缩情况下的力学性能。通过Ti-5553的霍普金森压杆试验获得的不同应变率和温度下的真实应力-应变曲线,分析其应变率强化效应和热软化效应。综合准静态压缩试验和霍普金森压杆试验结果,基于回归分析理论,建立Ti-5553的Johnson-Cook本构模型,并对该模型进行验证。对Ti-5553和非涂层硬质合金、涂层硬质合金、PCBN复合片三种刀具材料在不同温度下的氧化产物进行XRD检测,定量分析Ti-5553与工件材料的表面物质在不同温度下的氧化反应,利用光学显微镜和扫描电镜分别观测材料表面形态在宏观与微观的尺度上变化情况,对于材料在氧化前后的单位面积质量进行记录,同时测量材料氧化前后的表面硬度变化趋势,从以上五个方面综合分析Ti-5553与刀具材料在高温下的氧化规律。通过将Ti-5553分别与非涂层硬质合金、涂层硬质合金、PCBN复合片刀具三种刀具材料稳固装夹后,共同放入高温电阻炉中进行定量的加热保温处理,定量研究Ti-5553与刀具材料之间的扩散行为。利用扫描电镜的EDS能谱分析功能对Ti-5553与刀具材料接触面的横断面进行线扫描,进而分析材料内相关元素在不同温度下的相互扩散性。采用非涂层硬质合金、涂层硬质合金和PCBN三种材质刀具对Ti-5553棒料进行车削。结合Ti-5553的Johnson-Cook本构模型对切屑形态变化规律分析。通过长时间的切削试验,对不同材质的刀具表面进行能谱分析,分析了三种材料刀片前后刀面的氧化与扩散程度分布。
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.23
【图文】：

因此钛合金又可大致划分为α型，α+β型和β型合金，进一步细分还有近α型和亚稳β型合金。其中亚稳态β型合金是向钛合金中加入一定量的β稳定元素，快淬时钛合金的β相不再转变成马氏体，而是出于处于α+β两相区内。亚稳态β型钛合金虽然塑性有所降低，但是强度和韧性得到极大提高，这类合金经强化后甚至可以获得 1400MPa 以上的强度[2]。钛合金 Ti-5553 是 1996 年由美国波音公司和俄罗斯 VSMPO 在 VT22 的基础 上 联 合 研 制 的 高 强 高 韧 新 型 亚 稳 态 β 钛 合 金 ， 名 义 成 分Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-0.5Fe。该合金已申请美国发明专利，专利号 US680024[3-4]。Ti-5553 密度为 4.67g/cm3，抗拉强度约为 1250MPa，硬度 40HRC，钼当量[Mo]eq=19.6%，β转变温度为 838℃。具有比强度高、偏析敏感度低、淬透性好、强度好、韧性好、模量低等优点，目前已取代了多种传统亚稳态β钛合金，成为国际上比较热门的高强高韧钛材[5]。由于其比强度高，所以优先应用于航空航天工业，比如波音 787 飞机起落架转向架梁和飞机骨架结构，空客 A380 飞机发动机舱吊挂接头等高强度结构上均有应用，在装甲防护领域的研究应用也在增加。Ti-5553 也有一些不足之处，如其密度增大，可加工范围非常小，制作难度大，成本高等缺点，制约了其向更大范围的应用。

图 2-1 准静态压缩试验试样零件图Fig.2-1 Part drawing of Ti-5553的 CSS 电子万能试验机为单向压缩方式，试验L 的曲线图及其数据，将载荷 P 和位移ΔL 数据工程应力、工程应变：00PALL 应力，ε为工程应变，L0为试样的初试长度。根据公式（2-12）可计算出真实应力σt及真实 1ln 1tt

-1应变率下的真实应力-应变曲线如图 2-2 所示：图 2-2 Ti-5553 真实应力-应变曲线（常温 20℃，应变率 0.001s-1）Fig.2-2 True stress and strain curve（20℃, 0.001s-1）由图 2-2 可知：Ti-5553 在压缩过程中没有出现明显的屈服现象，故将 0.2%塑性应变时的应力作为材料的屈服强度，用σ0.2表示。图中，σ0.2=1256MPa，所以结合式（2-2）可知，J-C 本构模型中 A=1256MPa。将（2-2）两边取对数，即获得式（2-3）

【参考文献】

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本文编号：2793017