TC18钛合金热变形行为与热处理数值模拟

发布时间：2017-05-04 02:05

  本文关键词：TC18钛合金热变形行为与热处理数值模拟，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：钛合金是一种在航空航天工业广泛应用的金属,具有强度高、塑性好、高温性能好等优点。TC18钛合金是一种近β型钛合金,其经过热处理后的室温屈服强度可以达到1100MPa左右,同时保持较高的塑性；另外其还具有优良的高温性能,广泛应用于航空领域,作为承力结构件。 钛合金由于弹性模量低、屈强比高、成型易于回弹等特点,经常需要经过模锻和等温锻造等工艺进行加工成型。通过得到材料在高温下的流变应力规律及热加工图,可指导成型设备的选择及成型工艺的制定。同时,钛合金由于机加工、焊接等工序易于留下残余应力,经常采用热处理作为其最终工序。为了控制热处理中发生的变形,经常在热处理的时候施加工装进行校形,即热校形。热校形的本质是应力松弛。目前,钛合金构件的热校形尚未实现精确控制,工装施加的时间、大小主要凭经验控制。通过应力松弛试验得到其应力松弛方程,可以作为热校形精确控制的基础。另外,热处理过程是一个多场耦合的复杂过程,通过试验研究较为困难,通过数值模拟的方法,采用随温度变化的材料参数进行非线性数值模拟,可得到较为精确的仿真结果。 本文主要研究了TC18钛合金的热压缩变形行为及应力松弛行为,并进行了某航空用TC18钛合金长直杆件的焊后热处理数值模拟。 两相区和单相区的变形抗力方程分别为；根据热加工图,可得失稳区主要发生在温度为650℃-800℃,应变速率为0.02s-1-1s-1的区域,少部分分布在850℃-950℃间的高应变速率区；动态再结晶可能发生的区域为在750℃-850℃应变速率为0.001s-1-0.01s-1及950℃-1000℃应变速率为0.1s-1-1s-1区域；适宜进行热加工的区域为：700℃-850℃应变速率为0.001s-1-0.01s-1,850℃-950℃应变速率为0.01s-1-0.1s-1。对两相区热压缩后试样的透射及EBSD分析表明：在高温变形过程中,α相主要发生变形,较少发生回复与再结晶；β相在温度相对较低时主要发生再结晶,温度升高时回复占主要部分。 原始态由于存在残余应力,不能通过应力松弛试验拟合得到应力松弛方程；去应力退火态的应力松弛曲线规律性较好,可得其应力松弛极限与温度的关系为(σ∞=224.3222+0.59101T+3.87119T2,650℃时其剩余应力与时间的关系为：σ=4.05+(σ0-4.05)Ae,其中A=1.0334,T=4.9057。 对TC18长直杆件的焊接及热处理数值模拟表明,焊后杆件残余应力较大,达到了700a；经过退火热处理后残余应力降为86.4MPa。焊后杆件在方形槽处及实心件处会发生一个船形弯曲,最大位移量为1.21mm。
【关键词】：TC18钛合金 热压缩 应力松弛 数值模拟
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TG146.23
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-20
• 1.1 课题背景11-12
• 1.2 钛合金热压缩行为的研究12-15
• 1.2.1 热压缩试验12
• 1.2.2 真应力-真应变曲线的数学模型12-13
• 1.2.3 热加工图理论与应用13-14
• 1.2.4 钛合金热压缩行为的研究现状14-15
• 1.3 钛合金应力松弛行为的研究15-17
• 1.3.1 应力松弛行为的概念、特点和影响因素15-16
• 1.3.2 应力松弛行为的表征16
• 1.3.3 钛合金应力松弛行为的研究现状16-17
• 1.4 焊后热处理的研究17
• 1.5 热处理数值模拟技术17-19
• 1.5.1 常用有限元分析软件简介17-18
• 1.5.2 热处理数值模拟研究现状18-19
• 1.6 主要研究内容19-20
• 第2章 试验材料及研究方法20-28
• 2.1 试验材料20
• 2.2 相变点测试20-21
• 2.2.1 金相法测量相变点20
• 2.2.2 DTA 测量相变点20-21
• 2.3 显微组织观察与分析21-22
• 2.3.1 金相组织观察21
• 2.3.2 扫描电镜观察21
• 2.3.3 透射电镜观察21
• 2.3.4 XRD 衍射分析21-22
• 2.4 力学性能测试22-24
• 2.4.1 拉伸性能测试22-23
• 2.4.2 热压缩试验23
• 2.4.3 应力松弛试验23-24
• 2.5 温度场和应力应变场的数值模拟24-28
• 2.5.1 求解温度场的基本原理24-26
• 2.5.2 弹塑性力学基本理论26-27
• 2.5.3 有限元的基本思想27-28
• 第3章 TC18 钛合金热压缩变形行为及其本构关系28-49
• 3.1 引言28
• 3.2 TC18 钛合金原始材料研究28-35
• 3.2.1 金相组织观察28-29
• 3.2.2 TC18 钛合金α→β相变点测试29-31
• 3.2.3 原始样扫描电镜分析31-33
• 3.2.4 原始样 XRD 衍射分析33
• 3.2.5 原始样透射电镜分析33-35
• 3.3 TC18 钛合金高温流变应力本构方程35-41
• 3.3.1 TC18 钛合金热压缩试验曲线35-37
• 3.3.2 TC18 钛合金两相区流变应力本构方程37-40
• 3.3.3 TC18 钛合金单相区流变应力本构方程40-41
• 3.4 TC18 钛合金热加工图与显微组织演变41-47
• 3.4.1 热加工图的绘制41
• 3.4.3 TC18 钛合金热加工图41-43
• 3.4.4 TC18 钛合金热加工失稳区与可加工区组织观察43-44
• 3.4.5 TC18 钛合金两相区高温变形回复与再结晶分析44-47
• 3.5 本章小结47-49
• 第4章 TC18 钛合金应力松弛行为及其本构关系49-61
• 4.1 引言49
• 4.2 TC18 钛合金典型热处理组织与力学性能49-51
• 4.3 原始样应力松弛行为的研究51-53
• 4.4 TC18 退火态应力松弛行为的研究53-60
• 4.4.1 TC18 钛合金退火态应力松弛行为与温度的关系54-56
• 4.4.2 初应力对 TC18 钛合金应力松弛行为的影响56-58
• 4.4.3 组织对 TC18 钛合金应力松弛性能的影响58
• 4.4.4 应力松弛本构方程的建立58-60
• 4.5 本章小结60-61
• 第5章 TC18 钛合金长直杆件热处理数值模拟61-74
• 5.1 引言61
• 5.2 TC18 钛合金长直杆件真空电子束焊接过程的模拟61-68
• 5.2.1 电子束焊接简介61-62
• 5.2.2 电子束焊接数值模拟有限元模型的建立62-63
• 5.2.3 电子束焊接数值模拟结果分析与讨论63-68
• 5.3 TC18 钛合金长直杆件焊后退火热处理数值模拟68-72
• 5.3.1 边界条件设定68-69
• 5.3.2 退火加热过程残余应力及变形规律69-71
• 5.3.3 退火冷却过程残余应力及变形规律71-72
• 5.4 应力松弛方程的导入72
• 5.5 本章小结72-74
• 结论74-76
• 参考文献76-80
• 攻读硕士期间发表的论文及其他成果80-82
• 致谢82

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