ECAP+旋锻变形超细晶纯钛疲劳裂纹扩展行为研究
发布时间：2021-09-05 07:22
本文通过2道次ECAP变形（等效应变量约0.75）和ECAP+旋锻变形（等效应变量约2.58）,以及旋锻后300℃、400℃退火1h,获得4种具有不同组织的超细晶纯钛。分析了4种超细晶纯钛的组织演变和力学性能,并从裂纹扩展速率、裂纹扩展路径、疲劳断裂机理等方面研究了4种超细晶纯钛的疲劳裂纹扩展行为,主要研究结果如下:2道次ECAP变形后,纯钛的强度显著增高,其显微组织由宽度约为1μm的板条组织和孪晶构成,且晶粒尺寸不均匀;后续的旋锻变形使ECAP变形纯钛的组织不均匀性得到改善,强度进一步提高,形成晶粒尺寸约为200 nm的超细晶组织;旋锻变形后随退火温度的升高,超细晶纯钛的晶粒尺寸增大,位错密度降低,导致其断裂延伸率升高,强度降低。标准单边缺口拉伸试样（SENT）的疲劳裂纹扩展速率测试结果显示,微观组织对超细晶纯钛的疲劳裂纹扩展具有显著影响,存在疲劳裂纹扩展速率转折点将疲劳裂纹扩展速率曲线分为近门槛区和稳定扩展区。在近门槛区,ECAP+旋锻变形纯钛的ΔKth最高,约9.6 MPa·m1/2,其中ECAP变形纯钛的裂纹扩展速率高于ECAP+旋锻...
【文章来源】：西安建筑科技大学陕西省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
ECAS模具[42]和ECAP-C[44]
西安建筑科技大学硕士学位论文10主要为平面应变状态。平面应力和平面应变在断口形貌中的区域大小受裂纹长度、试样厚度以及材料的屈服强度等因素的影响[98]。图1.2a为薄板试样中平面应变和平面应力的断口形貌示意图。试样断口主要为平面应变断裂形成的平坦断面，在试样表面存在一圈与所受到的拉应力方向成45°的平面应力断裂边缘。当裂纹不断扩展时，平面应变断裂量逐渐减小，最终平面应力成为主导，这时所有的断口表面都与所受到的应力方向成45°；图1.2b为厚板试样断裂断口示意，其边缘处为平面应力断裂，中心较平坦区域为平面应变断裂[98]。图1.2板状试样疲劳断口表面特征[98]Fig.1.2Surfacecharacteristicsoffatiguefractureofplatespecimen.(a)Sheetsample,(b)Thickplatesample.如图1.3为疲劳裂纹扩展过程的三个阶段示意图[99]。按照裂纹扩展过程将断口划分为近门槛区、稳定扩展区和瞬断区。近门槛区的ΔK较小，断面裂纹闭合程度较高而相对光滑平整，但部分试样可能不存在该阶段扩展过程或断口难以观察到。稳定扩展区，能观察到特征花样（放射花样、人字纹花样或弧形迹线等），通过特征花样特征可判断裂纹扩展过程中的扩展速率和扩展方向。失稳扩展区，由疲劳裂纹扩展区到最后断裂区的转变并不是突然的。这两个区域被一个由于裂纹扩展速率增加所决定的过渡区域分开。在这个阶段，二次性裂纹的数量和深度的增加伴随着一些大的二次性台阶。因此在该区域断裂方向偏斜，粗糙度增加。微观分析（高于40倍）是通过断口形貌分析裂纹扩展机理，裂纹扩展速率以
西安建筑科技大学硕士学位论文11及影响因素。近门槛区的微观断口形貌极其复杂，可能出现滑移线、沿晶、类解理形貌（如河流、羽毛、舌头等）、早期疲劳条带、摩擦痕迹、混合形貌等断口特征[99]。近门槛区的断裂模式表现出解理或准解理的断口形貌，且这一阶段断口表现为锯齿状断裂模式[100]。图1.3疲劳裂纹扩展三个阶段的示意图[99]Fig.1.3Schematicillustrationofthreephasesoffatiguecrackpropagation.稳定扩展区的断裂模式为辉纹型（疲劳条带）断裂模式，根据疲劳条带特征可分为脆性疲劳条带和塑性疲劳条带[97]。加载过程中的每个循环会在断面形成一个疲劳条带，在疲劳裂纹扩展过程中形成塑性疲劳条带时的裂纹扩展速率较低[100]。脆性疲劳条带形貌差异较大、条带间距不规则，断口形貌具有晶体学平面特征、类解理河流花样特征；而塑性疲劳条带光滑、间距规则。统计结果表明，Paris公式中m值较小时，断口微观形貌主要为疲劳条带；而m值较高的断口形貌只存在少量疲劳条带，基本为沿晶、解理、准解理、微孔、二次裂纹和韧窝等微观形貌[97]。位错交割或交滑移会形成割阶，当位错作非保守运动产生过饱和空位聚集时形成微孔洞[97]。裂纹尖端扩展过程中发生分叉在断面形成二次裂纹，裂纹扩展单位长度时所消耗的能量随裂纹分叉显著提高，扩展阻力增大，故二次裂纹能降低裂纹扩展速率[101]。图1.4为稳定扩展区裂纹扩展的两种基本扩展方式，其一，主裂纹在钝化后，裂纹顶部在加载过程中形成微裂纹的形式进行扩展；其二，主裂纹钝化后，微裂纹在主裂纹前方的应力集中部位形成，以裂纹连通的方式进行扩展[97]。失稳扩展区裂纹扩展与静态加载时相似，断口的微观形貌主要呈现出韧窝形貌特征，有时表现出解理、准解理和沿晶开裂的形貌特征[99
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属材料疲劳裂纹扩展机制及模型的研究进展[J]. 吴圣川,李存海,张文,康国政. 固体力学学报. 2019(06)
[2]TC4-DT钛合金疲劳裂纹扩展的微观机制[J]. 郭萍,赵永庆,洪权,毛小南,侯红苗,潘浩. 材料导报. 2019(20)
[3]应力比对A7N01铝合金焊接接头裂纹近门槛值区拐点的影响[J]. 李有堂,王亚东. 机械设计与制造工程. 2019(07)
[4]应力比对25Cr2Ni2MoV钢疲劳裂纹扩展门槛值的影响[J]. 翟战江,彭云,刘涛,栾培峰. 物理测试. 2019(01)
[5]三种组织TC17合金的疲劳裂纹扩展行为[J]. 张赛飞,曾卫东,龙雨,李欣,徐建伟. 稀有金属材料与工程. 2018(12)
[6]纯钛或钛合金种植材料表面不同纳米结构对细胞行为的影响[J]. 蔡彦坤,郑国莹,隋磊. 口腔医学研究. 2018(07)
[7]复合加工制备的超细晶工业纯钛室温蠕变行为[J]. 杨西荣,陈小龙,罗雷,刘晓燕,蔡文华. 稀有金属材料与工程. 2018(07)
[8]HRB400钢筋材料疲劳裂纹扩展性能试验研究[J]. 郭忠照,马亚飞,王磊,张建仁. 土木工程学报. 2018(07)
[9]纯度对ECAP制备超细晶铜疲劳性能的影响[J]. 王庆娟,周滢,双翼翔,杜忠泽. 稀有金属材料与工程. 2018(06)
[10]应力比对Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V合金疲劳裂纹扩展行为的影响[J]. 季英萍,吴素君. 航空材料学报. 2018(03)
博士论文
[1]高锰奥氏体TWIP钢的循环变形及疲劳裂纹扩展行为研究[D]. 马鹏辉.燕山大学 2016
[2]室温ECAP变形工业纯钛变形行为及组织性能研究[D]. 刘晓燕.西安建筑科技大学 2014
硕士论文
[1]室温ECAP+旋锻复合加工纯钛材的组织性能研究[D]. 宋小杰.西安建筑科技大学 2016
[2]ECAP工艺对新型生物医用β钛合金组织与性能的影响[D]. 林正捷.上海交通大学 2014
本文编号：3384912
【文章来源】：西安建筑科技大学陕西省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
ECAS模具[42]和ECAP-C[44]
西安建筑科技大学硕士学位论文10主要为平面应变状态。平面应力和平面应变在断口形貌中的区域大小受裂纹长度、试样厚度以及材料的屈服强度等因素的影响[98]。图1.2a为薄板试样中平面应变和平面应力的断口形貌示意图。试样断口主要为平面应变断裂形成的平坦断面，在试样表面存在一圈与所受到的拉应力方向成45°的平面应力断裂边缘。当裂纹不断扩展时，平面应变断裂量逐渐减小，最终平面应力成为主导，这时所有的断口表面都与所受到的应力方向成45°；图1.2b为厚板试样断裂断口示意，其边缘处为平面应力断裂，中心较平坦区域为平面应变断裂[98]。图1.2板状试样疲劳断口表面特征[98]Fig.1.2Surfacecharacteristicsoffatiguefractureofplatespecimen.(a)Sheetsample,(b)Thickplatesample.如图1.3为疲劳裂纹扩展过程的三个阶段示意图[99]。按照裂纹扩展过程将断口划分为近门槛区、稳定扩展区和瞬断区。近门槛区的ΔK较小，断面裂纹闭合程度较高而相对光滑平整，但部分试样可能不存在该阶段扩展过程或断口难以观察到。稳定扩展区，能观察到特征花样（放射花样、人字纹花样或弧形迹线等），通过特征花样特征可判断裂纹扩展过程中的扩展速率和扩展方向。失稳扩展区，由疲劳裂纹扩展区到最后断裂区的转变并不是突然的。这两个区域被一个由于裂纹扩展速率增加所决定的过渡区域分开。在这个阶段，二次性裂纹的数量和深度的增加伴随着一些大的二次性台阶。因此在该区域断裂方向偏斜，粗糙度增加。微观分析（高于40倍）是通过断口形貌分析裂纹扩展机理，裂纹扩展速率以
西安建筑科技大学硕士学位论文11及影响因素。近门槛区的微观断口形貌极其复杂，可能出现滑移线、沿晶、类解理形貌（如河流、羽毛、舌头等）、早期疲劳条带、摩擦痕迹、混合形貌等断口特征[99]。近门槛区的断裂模式表现出解理或准解理的断口形貌，且这一阶段断口表现为锯齿状断裂模式[100]。图1.3疲劳裂纹扩展三个阶段的示意图[99]Fig.1.3Schematicillustrationofthreephasesoffatiguecrackpropagation.稳定扩展区的断裂模式为辉纹型（疲劳条带）断裂模式，根据疲劳条带特征可分为脆性疲劳条带和塑性疲劳条带[97]。加载过程中的每个循环会在断面形成一个疲劳条带，在疲劳裂纹扩展过程中形成塑性疲劳条带时的裂纹扩展速率较低[100]。脆性疲劳条带形貌差异较大、条带间距不规则，断口形貌具有晶体学平面特征、类解理河流花样特征；而塑性疲劳条带光滑、间距规则。统计结果表明，Paris公式中m值较小时，断口微观形貌主要为疲劳条带；而m值较高的断口形貌只存在少量疲劳条带，基本为沿晶、解理、准解理、微孔、二次裂纹和韧窝等微观形貌[97]。位错交割或交滑移会形成割阶，当位错作非保守运动产生过饱和空位聚集时形成微孔洞[97]。裂纹尖端扩展过程中发生分叉在断面形成二次裂纹，裂纹扩展单位长度时所消耗的能量随裂纹分叉显著提高，扩展阻力增大，故二次裂纹能降低裂纹扩展速率[101]。图1.4为稳定扩展区裂纹扩展的两种基本扩展方式，其一，主裂纹在钝化后，裂纹顶部在加载过程中形成微裂纹的形式进行扩展；其二，主裂纹钝化后，微裂纹在主裂纹前方的应力集中部位形成，以裂纹连通的方式进行扩展[97]。失稳扩展区裂纹扩展与静态加载时相似，断口的微观形貌主要呈现出韧窝形貌特征，有时表现出解理、准解理和沿晶开裂的形貌特征[99
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属材料疲劳裂纹扩展机制及模型的研究进展[J]. 吴圣川,李存海,张文,康国政. 固体力学学报. 2019(06)
[2]TC4-DT钛合金疲劳裂纹扩展的微观机制[J]. 郭萍,赵永庆,洪权,毛小南,侯红苗,潘浩. 材料导报. 2019(20)
[3]应力比对A7N01铝合金焊接接头裂纹近门槛值区拐点的影响[J]. 李有堂,王亚东. 机械设计与制造工程. 2019(07)
[4]应力比对25Cr2Ni2MoV钢疲劳裂纹扩展门槛值的影响[J]. 翟战江,彭云,刘涛,栾培峰. 物理测试. 2019(01)
[5]三种组织TC17合金的疲劳裂纹扩展行为[J]. 张赛飞,曾卫东,龙雨,李欣,徐建伟. 稀有金属材料与工程. 2018(12)
[6]纯钛或钛合金种植材料表面不同纳米结构对细胞行为的影响[J]. 蔡彦坤,郑国莹,隋磊. 口腔医学研究. 2018(07)
[7]复合加工制备的超细晶工业纯钛室温蠕变行为[J]. 杨西荣,陈小龙,罗雷,刘晓燕,蔡文华. 稀有金属材料与工程. 2018(07)
[8]HRB400钢筋材料疲劳裂纹扩展性能试验研究[J]. 郭忠照,马亚飞,王磊,张建仁. 土木工程学报. 2018(07)
[9]纯度对ECAP制备超细晶铜疲劳性能的影响[J]. 王庆娟,周滢,双翼翔,杜忠泽. 稀有金属材料与工程. 2018(06)
[10]应力比对Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V合金疲劳裂纹扩展行为的影响[J]. 季英萍,吴素君. 航空材料学报. 2018(03)
博士论文
[1]高锰奥氏体TWIP钢的循环变形及疲劳裂纹扩展行为研究[D]. 马鹏辉.燕山大学 2016
[2]室温ECAP变形工业纯钛变形行为及组织性能研究[D]. 刘晓燕.西安建筑科技大学 2014
硕士论文
[1]室温ECAP+旋锻复合加工纯钛材的组织性能研究[D]. 宋小杰.西安建筑科技大学 2016
[2]ECAP工艺对新型生物医用β钛合金组织与性能的影响[D]. 林正捷.上海交通大学 2014
本文编号：3384912
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