离心滚磨光整加工改善钛合金抗疲劳性能的实验研究

发布时间：2017-10-03 11:03

  本文关键词：离心滚磨光整加工改善钛合金抗疲劳性能的实验研究

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【摘要】：钛合金具备密度小、弹性模量低、比强度高、耐热、耐低温、耐蚀、生物相容性好等优异性能，已广泛应用于航空航天、汽车船舶、兵器、电子、石油化工、医疗工程等军事及民用领域。但是由于钛合金抗疲劳性能差的弱点，制约了其进一步的发展及应用。针对TC4钛合金疲劳性能差的问题，本文采用离心滚磨光整加工技术改善钛合金的表面完整性，以提高其抗疲劳性能。 本文首先分析了钛合金材料的疲劳破坏行为及其主要影响因素，并对离心滚磨光整加工提高钛合金抗疲劳性能的机理进行了研究。在此基础上，使用离心滚磨光整加工技术对TC4钛合金试样进行了实验研究，主要内容及结论如下： 1.采用正交实验方法，对离心滚磨光整加工中主要工艺参数对TC4钛合金表面粗糙度的影响规律进行了研究。得出结论：磨料直径对表面粗糙度的影响最大，其次为加工时间，最后为磨料装入量；确定各因素较好的水平组合为：磨料直径10mm，磨料装入量50%，加工时间50min。 2.通过有限元仿真和正交实验，研究了离心滚磨光整加工中主要工艺参数对TC4钛合金残余应力的影响规律。仿真结果和实验所得的结果基本保持一致。实验确定了各工艺参数对残余应力影响的主次顺序，即磨料直径，其次为磨料装入量，最后为加工时间；确定各因素较好的水平组合为：磨料直径10mm，磨料装入量50%，加工时间40min或50min。 3.基于正交实验给出的优化工艺参数基础上，进行了实验研究，通过显微硬度计、XRD、金相显微镜和扫描电镜等，测试分析了离心滚磨光整加工对TC4钛合金显微硬度、X射线衍射、金相组织等的影响。结果表明：经过50min的滚磨光整加工，钛合金表面显微硬度比基体提高了89.6HV；显微硬度的最大值出现在试样最表层处，并沿层深方向逐渐减小，当层深约为500m时，硬度值与加工前试样的硬度已相差不大，此后基本不再变化；与未光整试样相比，经过光整加工后的试样X射线衍射峰变宽，衍射峰向左产生了偏移，试样表层产生了明显的塑性变形，塑性变形量沿层深呈梯度变化。随加工时间的延长，塑性变形层的深度逐渐增大；当加工时间大于40min后，塑性变形层的深度变化不大，但晶粒尺寸得到了进一步的细化。 4.在610MPa应力条件下，对离心滚磨光整加工前的疲劳试样和离心滚磨光整加工50min后的疲劳试样分别进行了拉-拉疲劳试验，试验结果表明，离心滚磨光整加工可有效提高TC4钛合金的拉-拉疲劳寿命。 本文通过模拟仿真和实验研究，找出了较优的离心滚磨光整加工TC4钛合金的工艺参数，实现了对钛合金表面完整性的综合改善，，对提高钛合金的抗疲劳性能具有重要意义。
【关键词】：光整加工 滚磨 表面完整性 抗疲劳性能 钛合金
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4;TG146.23
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 引言12-13
• 1.2 抗疲劳制造技术简述13-14
• 1.2.1 抗疲劳制造技术的原理13
• 1.2.2 抗疲劳制造技术的分类13-14
• 1.3 国内外抗疲劳制造技术的研究现状14-17
• 1.4 光整加工概述17-22
• 1.4.1 光整加工的基本概念17
• 1.4.2 光整加工技术的特点17-18
• 1.4.3 光整加工技术的分类18-19
• 1.4.4 滚磨光整加工技术简介19-20
• 1.4.5 离心滚磨光整加工20-22
• 1.5 本文的研究意义和研究内容22-24
• 第二章 滚磨光整加工提高钛合金抗疲劳性能的机理分析24-34
• 2.1 钛合金的特点及应用24-25
• 2.2 钛合金的疲劳破坏及其主要影响因素25-26
• 2.3 离心滚磨光整加工改善零件抗疲劳性能的机理分析26-32
• 2.3.1 表面粗糙度27-28
• 2.3.2 应力强化28-30
• 2.3.3 组织强化30-32
• 2.3.4 显微硬度32
• 2.4 本章小结32-34
• 第三章 滚磨光整加工钛合金表面粗糙度的实验研究34-48
• 3.1 表面粗糙度测量方法34-35
• 3.2 实验材料及试样制备35-36
• 3.3 实验条件36-37
• 3.4 实验设计方法37-40
• 3.4.1 参数水平的选择37-38
• 3.4.2 正交实验设计及实验结果38-40
• 3.5 实验结果分析40-47
• 3.5.1 正交实验的极差分析41-44
• 3.5.2 正交实验的方差分析44-47
• 3.5.3 验证实验47
• 3.6 本章小结47-48
• 第四章 滚磨光整加工钛合金残余应力的仿真与实验研究48-62
• 4.1 残余应力的仿真48-51
• 4.1.1 模型的建立49-50
• 4.1.2 仿真结果与分析50-51
• 4.2 残余应力测量方法51-52
• 4.3 残余应力的实验研究52-60
• 4.3.1 试样的制备及实验条件52
• 4.3.2 实验设计52-53
• 4.3.3 试验结果与分析53-59
• 4.3.3.1 正交实验的极差分析53-57
• 4.3.3.2 正交实验的方差分析57-59
• 4.3.4 验证实验59-60
• 4.4 本章小结60-62
• 第五章 滚磨光整加工对钛合金表层组织及抗疲劳性能影响的研究62-74
• 5.1 实验条件62-63
• 5.2 显微硬度的测试及结果分析63-65
• 5.3 X 射线衍射分析65-67
• 5.4 金相组织分析67-68
• 5.5 扫描电镜分析68-70
• 5.6 疲劳试验70-72
• 5.7 本章小结72-74
• 第六章 总结与展望74-76
• 6.1 总结74-75
• 6.2 展望75-76
• 参考文献76-82
• 致谢82-84
• 攻读学位期间发表学术论文84

【参考文献】

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本文编号：964816