TC4钛合金压痕响应的试验研究
发布时间：2021-06-06 11:37
TC4钛合金作为一种轻质结构材料,因其比强度高、耐腐蚀、耐高温等良好的综合性能和结构效益高等优点,被广泛应用于航空发动机以及飞机机体结构件的制造中。TC4材料的硬度、弹性模量等力学性能是保证其安全稳定服役的关键所在。但是,目前国内外对TC4材料力学性能的研究仍大多停留在宏观层面,且TC4材料的服役工况分为常温和400℃以下高温环境两类工况。因此,对TC4钛合金材料开展常温及高温下的微纳米压痕测试,研究其力学性能的变化规律是迫切且必要的。本文综合分析了微纳米压痕测试技术与TC4钛合金材料的国内外研究现状,结合TC4材料的实际服役工况,提出后续试验方案:分别对TC4材料进行室温和高温两种工况下的微纳米压痕测试,通过分析载荷-位移（p-h）曲线和残余压痕形貌,在常温下主要对比了宏区与微区下TC4材料力学性能的差异;高温下主要探究了温度对TC4材料力学性能的影响。在压痕试验开始前,详细介绍了微纳米压痕测试技术的基本原理-Oliver-Pharr法、压头材料的选取及压痕尺寸效应对应的几何必须位错理论模型,为后续的压痕试验提供了理论基础。使用标准硬度块对实验室自主研制的微纳米压痕仪压痕曲线进行校准...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
钛合金在航空航天领域的应用TC4钛合金是一种α-β型中强度两相钛合金[18]
第1章绪论3的卸载部分进行数学拟合及计算，得到材料的弹性模量等参数，进一步推进了纳米压痕试验的研究。1981年，Pethica等人[23]对镍、金和硅等材料进行了微纳米尺度的硬度测试，并研究发现了压头压入、压出材料表面的位移对材料硬度的作用规律，这是首次将压痕测试技术应用于离子注入金属表面的力学性能测试，可以说是纳米压痕测试技术的开端。1986年，美国斯Doerner和Nix[24]等人对硅等材料开展了纳米压痕试验研究，将载荷测量拓展到mN量级,图1.2（a）为所使用的Nano-instruments公司生产的压痕仪器原理图。他们利用试验曲线的加载段和卸载段，利用数学方法获得了材料的硬度和弹性模量，并指出压头加工、研磨技术的好坏，对纳米压痕测试结果准确性有重要的影响。（a）（b）图1.2纳米压痕仪原理图[24、25]1992年，Oliver和Pharr[25]采用玻氏压头对熔融石英、铝、石英等六种材料进行了压痕测试，与Doerner和Nix的研究有所差异的是，他们将卸载曲线上半部的处理方法由线性拟合改为幂函数拟合，改善后测得的弹性模量误差控制在5%以内，进一步完善了压痕测试理论，也是到目前为止，应用最广泛的一种压痕测试理论方法。图1.2（b）为测试过程中二人使用的纳米压痕仪的基本原理图。2001年，Stach等人[26]设计了一个纳米压痕测试装置，并将型号为JEOL200CX的透射电子显微镜集成在测试装置上，实现了原位监测的功能，如图1.3所示。即可以在进行压痕试验的过程中，实时监测材料发生的微小形变，便于探究材料在多场耦合作用下的的力学性能变化机制。
吉林大学硕士学位论文4用于定位和压痕试验的压电陶瓷管中心轴x，y，z方向螺旋粗调驱动件真空波纹管（a）原理图（b）实物图可移动的样品台和压头延伸铝件螺纹连接处可移动的边缘件图1.3Stach设计的原位纳米压痕仪[26]2013年，Nowakowski等人[27]研制了一套纳米压痕测试装置，采用三自由度精密移动平台调整试样位置，整体结构如图1.4所示。该压痕仪整体置于真空腔内，所有试验均在真空环境下进行，减少了空气的流动等因素对试验结果的影响；同时，真空箱被放置在沉重的铸铁桌子上，并且在桌子和地面之间设有三层隔震，能够进一步减小外界干扰，提高测试精度。图1.4Nowakowski等人研发的高精度纳米压痕测试平台[27]
【参考文献】：
期刊论文
[1]α+β两相钛合金元素再分配行为及其对显微组织和力学性能的影响[J]. 黄森森,马英杰,张仕林,齐敏,雷家峰,宗亚平,杨锐. 金属学报. 2019(06)
[2]3GPa压力处理对TC4钛合金室温蠕变性能的影响[J]. 刘凯. 铸造技术. 2018(07)
[3]热氧化TC4合金静/动态力学性能研究[J]. 秦建峰,马永,姚晓红,邹娇娟,林乃明,牛晓燕,唐宾. 稀有金属材料与工程. 2018(02)
[4]航空发动机转子叶片用TC4棒材研制[J]. 侯鹏,文娜,贠鹏飞,马士峰,张哲,谢强,母果路. 湖南有色金属. 2017(04)
[5]纳米压痕技术研究现状与发展趋势[J]. 李言,孔祥健,郭伟超,杨明顺. 机械科学与技术. 2017(03)
[6]高压高温处理对TC4钛合金微观力学性能的影响[J]. 王大勇,张连勇,谌岩,王慧. 金属热处理. 2016(02)
[7]纳米压痕技术在材料力学测试中的应用[J]. 靳巧玲,李国禄,王海斗,刘金娜,张建军. 表面技术. 2015(12)
[8]钛合金材料在船舶材料上的应用与发展[J]. 李德强,王树森,包恩达. 世界有色金属. 2015(09)
[9]测试位置对纳米压痕法测Nb/Cu复合材料线材硬度的影响[J]. 徐晓燕,梁明,王鹏飞,焦高峰,李成山. 机械工程材料. 2015(08)
[10]压力传感器当前发展趋势研究[J]. 徐玥,徐闽. 江苏科技信息. 2014(02)
博士论文
[1]压痕/划痕测试若干理论与基于自制仪器的试验研究[D]. 黄虎.吉林大学 2014
硕士论文
[1]砷化镓（GaAs）材料压痕响应的试验研究[D]. 孔令奇.吉林大学 2019
[2]预应力温度梯度下原位纳米压痕测试装置的设计与试验研究[D]. 周永臣.吉林大学 2017
[3]基于纳米压痕技术的纳米孪晶形成及强化机理研究[D]. 杨松.大连理工大学 2016
[4]低温纳米压痕测试装置的设计分析与试验研究[D]. 徐海龙.吉林大学 2016
[5]纳米压痕测试装置的设计分析与试验研究[D]. 付海双.吉林大学 2016
[6]高温环境下微纳米压痕测试平台设计分析与试验研究[D]. 刘彦超.吉林大学 2016
[7]高精度金刚石玻氏压头的设计方法及其机械研磨技术研究[D]. 吴东.哈尔滨工业大学 2015
[8]选区激光熔化成型医用Ti-6Al-4V合金的组织和性能研究[D]. 蒋军杰.重庆大学 2015
[9]压头与试件间垂直度误差对纳米压痕/刻划测试影响的研究[D]. 史成利.吉林大学 2014
本文编号：3214307
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
钛合金在航空航天领域的应用TC4钛合金是一种α-β型中强度两相钛合金[18]
第1章绪论3的卸载部分进行数学拟合及计算，得到材料的弹性模量等参数，进一步推进了纳米压痕试验的研究。1981年，Pethica等人[23]对镍、金和硅等材料进行了微纳米尺度的硬度测试，并研究发现了压头压入、压出材料表面的位移对材料硬度的作用规律，这是首次将压痕测试技术应用于离子注入金属表面的力学性能测试，可以说是纳米压痕测试技术的开端。1986年，美国斯Doerner和Nix[24]等人对硅等材料开展了纳米压痕试验研究，将载荷测量拓展到mN量级,图1.2（a）为所使用的Nano-instruments公司生产的压痕仪器原理图。他们利用试验曲线的加载段和卸载段，利用数学方法获得了材料的硬度和弹性模量，并指出压头加工、研磨技术的好坏，对纳米压痕测试结果准确性有重要的影响。（a）（b）图1.2纳米压痕仪原理图[24、25]1992年，Oliver和Pharr[25]采用玻氏压头对熔融石英、铝、石英等六种材料进行了压痕测试，与Doerner和Nix的研究有所差异的是，他们将卸载曲线上半部的处理方法由线性拟合改为幂函数拟合，改善后测得的弹性模量误差控制在5%以内，进一步完善了压痕测试理论，也是到目前为止，应用最广泛的一种压痕测试理论方法。图1.2（b）为测试过程中二人使用的纳米压痕仪的基本原理图。2001年，Stach等人[26]设计了一个纳米压痕测试装置，并将型号为JEOL200CX的透射电子显微镜集成在测试装置上，实现了原位监测的功能，如图1.3所示。即可以在进行压痕试验的过程中，实时监测材料发生的微小形变，便于探究材料在多场耦合作用下的的力学性能变化机制。
吉林大学硕士学位论文4用于定位和压痕试验的压电陶瓷管中心轴x，y，z方向螺旋粗调驱动件真空波纹管（a）原理图（b）实物图可移动的样品台和压头延伸铝件螺纹连接处可移动的边缘件图1.3Stach设计的原位纳米压痕仪[26]2013年，Nowakowski等人[27]研制了一套纳米压痕测试装置，采用三自由度精密移动平台调整试样位置，整体结构如图1.4所示。该压痕仪整体置于真空腔内，所有试验均在真空环境下进行，减少了空气的流动等因素对试验结果的影响；同时，真空箱被放置在沉重的铸铁桌子上，并且在桌子和地面之间设有三层隔震，能够进一步减小外界干扰，提高测试精度。图1.4Nowakowski等人研发的高精度纳米压痕测试平台[27]
【参考文献】：
期刊论文
[1]α+β两相钛合金元素再分配行为及其对显微组织和力学性能的影响[J]. 黄森森,马英杰,张仕林,齐敏,雷家峰,宗亚平,杨锐. 金属学报. 2019(06)
[2]3GPa压力处理对TC4钛合金室温蠕变性能的影响[J]. 刘凯. 铸造技术. 2018(07)
[3]热氧化TC4合金静/动态力学性能研究[J]. 秦建峰,马永,姚晓红,邹娇娟,林乃明,牛晓燕,唐宾. 稀有金属材料与工程. 2018(02)
[4]航空发动机转子叶片用TC4棒材研制[J]. 侯鹏,文娜,贠鹏飞,马士峰,张哲,谢强,母果路. 湖南有色金属. 2017(04)
[5]纳米压痕技术研究现状与发展趋势[J]. 李言,孔祥健,郭伟超,杨明顺. 机械科学与技术. 2017(03)
[6]高压高温处理对TC4钛合金微观力学性能的影响[J]. 王大勇,张连勇,谌岩,王慧. 金属热处理. 2016(02)
[7]纳米压痕技术在材料力学测试中的应用[J]. 靳巧玲,李国禄,王海斗,刘金娜,张建军. 表面技术. 2015(12)
[8]钛合金材料在船舶材料上的应用与发展[J]. 李德强,王树森,包恩达. 世界有色金属. 2015(09)
[9]测试位置对纳米压痕法测Nb/Cu复合材料线材硬度的影响[J]. 徐晓燕,梁明,王鹏飞,焦高峰,李成山. 机械工程材料. 2015(08)
[10]压力传感器当前发展趋势研究[J]. 徐玥,徐闽. 江苏科技信息. 2014(02)
博士论文
[1]压痕/划痕测试若干理论与基于自制仪器的试验研究[D]. 黄虎.吉林大学 2014
硕士论文
[1]砷化镓（GaAs）材料压痕响应的试验研究[D]. 孔令奇.吉林大学 2019
[2]预应力温度梯度下原位纳米压痕测试装置的设计与试验研究[D]. 周永臣.吉林大学 2017
[3]基于纳米压痕技术的纳米孪晶形成及强化机理研究[D]. 杨松.大连理工大学 2016
[4]低温纳米压痕测试装置的设计分析与试验研究[D]. 徐海龙.吉林大学 2016
[5]纳米压痕测试装置的设计分析与试验研究[D]. 付海双.吉林大学 2016
[6]高温环境下微纳米压痕测试平台设计分析与试验研究[D]. 刘彦超.吉林大学 2016
[7]高精度金刚石玻氏压头的设计方法及其机械研磨技术研究[D]. 吴东.哈尔滨工业大学 2015
[8]选区激光熔化成型医用Ti-6Al-4V合金的组织和性能研究[D]. 蒋军杰.重庆大学 2015
[9]压头与试件间垂直度误差对纳米压痕/刻划测试影响的研究[D]. 史成利.吉林大学 2014
本文编号：3214307
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