置氢Ti–6Al–4V合金室温变形行为及改性机理研究

摘要

钛及其合金具有比强度高、高温性能好以及防腐蚀能力强等一系列优异特性，在航空航天、船舶、海洋等领域得到了广泛的应用，是一种理想的金属结构材料。然而，大部分钛合金在室温下塑性低，冷成形容易开裂，限制了钛合金的冷态工艺性。由于室温塑性成形所生产的零件机械性能好、精度高、表面质量好、生产效率高，是制造钛合金零件的最经济手段。所以，有必要进一步开展钛合金室温塑性成形技术的基础研究工作，尽快实现钛合金室温塑性成形技术的应用。钛合金热氢处理技术可以改善钛合金的力学性能，但是氢对钛合金室温塑性变形行为的影响及其机理一直缺乏系统的研究，本文主要针对这个问题进行了深入研究。
　　利用光学金相显微镜、X射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等材料分析设备研究了氢含量对 Ti-6Al-4V合金微观组织的影响，并对置氢 Ti-6Al-4V合金室温压缩变形过程中微观组织的演变进行了研究。结果表明：置氢后，Ti-6Al-4V合金中发现马氏体和氢化物等相。随着氢含量的增加，β相、α''马氏体以及氢化物等相的含量逐渐增加，且氢化物优先沿晶界或相界析出。氢促进了位错的增殖。
　　利用INSTRON-5569型材料试验机对合金进行了室温拉伸试验，研究了氢含量对 Ti-6Al-4V合金室温拉伸性能的影响。结果表明：置氢后，合金的室温拉伸性能逐渐恶化，表明置氢不利于钛合金的拉伸变形。为了揭示氢对 Ti-6Al-4V合金拉伸断裂行为的影响及机理，本文利用原位拉伸试验对合金拉伸变形过程中裂纹的萌生、扩展及断裂的全过程进行实时观察和录像，并利用有限元模拟技术对合金的拉伸过程进行了模拟，分析了拉伸变形过程中合金的应力应变分布规律。
　　利用ZWICK/Z100型材料试验机对合金进行了室温静态压缩试验，并利用电磁成形机对合金进行了高速压缩试验，系统研究了氢含量和应变速率对合金室温压缩性能的影响。结果表明：Ti-6Al-4V合金无论是在静态下压缩变形，还是在高速率下压缩变形，合适的氢含量对 Ti-6Al-4V合金的压缩性能均存在有益的影响，可以显著提高合金的极限变形率（极限变形率的最大增幅达56.3％），降低对成形设备及模具的要求。
　　揭示了置氢钛合金室温塑性变形的改性机理，并建立了理论模型。氢对钛合金室温拉伸和压缩性能的不同影响规律是由合金的氢含量及其受力状态决定的。氢含量的影响可分为由固溶态氢和氢致相变引起的影响。拉应力会加速晶界处裂纹的萌生和扩展，并促进晶间变形。随着氢含量的增加，晶界或相界处氢化物的含量逐渐增加，导致晶界或相界逐渐变弱，使其力学性能逐渐恶化。而压应力可以抑制或削弱裂纹的萌生和扩展，减少合金的晶间变形。当氢含量较低时，固溶态氢和氢化物对压缩性能影响较小，影响压缩性能的主要因素是晶内变形，塑性β相含量的增加导致合金的塑性提高。随着氢含量的增加，氢化物的含量逐渐增加，并聚集于晶界处，导致晶间变形的作用逐渐增加，使合金的塑性下降，此时脆性的氢化物相对合金的压缩性能所起的作用逐渐增强。
　　根据热重试验结果制定了置氢 Ti-6Al-4V合金的除氢规范，对置氢 Ti-6Al-4V合金进行了真空除氢处理，并对除氢合金的微观组织及室温力学性能等进行了研究。结果表明：除氢过程中，置氢 Ti-6Al-4V合金中亚稳定相发生分解，转变为稳定的α相和β相，固溶氢及氢化物中的氢完全从合金中逸出，导致组织细化，但是晶粒形貌没有恢复，导致合金的室温力学性能有所恢复，但没有完全恢复。
　　利用M-200型摩擦磨损试验机于室温大气中对合金进行干滑动摩擦磨损试验，以研究氢对 Ti-6Al-4V合金摩擦磨损性能的影响。利用SEM及其EDS等材料分析方法对磨损试验后的销试样及对磨盘的微观形貌和成分进行了观察和分析，以揭示合金的磨损机理。结果表明：置氢后，合金的磨损率变大。除氢合金的磨损率低于相应的置氢合金的磨损率，但仍高于未置氢合金的磨损率。合金的磨损率是由合金的性质（主要是合金的硬度以及热传导率）决定的。未置氢合金主要呈现氧化磨损特征，置氢合金的磨损以磨粒磨损为主，除氢合金的磨损机理主要是氧化磨损和磨粒磨损。结果表明当除氢合金应用于摩擦磨损领域时，仍需进行表面处理，以提高其抗磨性。
　　根据本文的试验结果，制定了置氢 Ti-6Al-4V合金的最佳室温塑性成形条件。当利用热氢处理技术使 Ti-6Al-4V合金室温塑性成形时，应选择在压应力的作用下塑性成形的方法，而不是拉应力。在本文的试验条件下，当置氢 Ti-6Al-4V合金在静态下室温压缩成形时，合金的最佳氢含量为0.6wt.%~0.8wt.%。当利用磁脉冲成形等高速率成形方法时，合金的最佳氢含量为0.1wt.%，放电电压为1.1kV。

目录

置氢Ti–6Al–4V 合金室温变形行为及改性机理研究

DEFORMATION BEHAVIOR AND MECHANISMOF HYDROGENATED TI–6AL–4V ALLOY ATROOM TEMPERATURE

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 钛及钛合金

1.3 氢在钛中的存在状态及其行为研究

1.3.1 氢在钛中的存在形式

1.3.2 氢在钛中的溶解

1.3.3 氢在钛中的扩散

1.3.4 氢在钛中的特性

1.3.5 钛氢微观作用机理

1.4 钛合金热氢处理技术

1.4.1 热氢处理技术的概况

1.4.2 热氢处理技术的国内外研究现状

1.4.3 室温氢增塑的研究现状

1.4.4 热氢处理技术的应用及前景

1.5 本课题的主要研究内容

第2章 试验材料与研究方法

2.1 试验材料

2.2 组织结构分析方法

2.2.1 组织观察

2.2.2 X 射线衍射仪

2.2.3 扫描电子显微镜

2.2.4 电子背散射衍射

2.2.5 透射电子显微镜

2.2.6 差热及热重分析

2.3 性能测试方法

2.3.1 室温拉伸试验

2.3.2 原位拉伸试验

2.3.3 室温压缩试验

2.3.4 磁脉冲压缩试验

2.3.5 维氏硬度试验

2.3.6 摩擦磨损试验

2.4 本章小结

第3章 氢对Ti–6Al–4V 合金微观组织结构的影响

3.1 引言

3.2 氢含量对Ti–6Al–4V 合金微观组织结构的影响

3.2.1 微观组织分析

3.2.2 X 射线衍射结果分析

3.2.3 透射电镜结果分析

3.3 塑性变形过程中置氢Ti–6Al–4V 合金的微观组织演变

3.4 本章小结

第4章 氢对Ti–6Al–4V 合金拉伸变形行为的影响

4.1 引言

4.2 氢含量对Ti–6Al–4V 合金室温拉伸性能的影响

4.3 Ti–6Al–4V–xH 合金室温拉伸变形应力应变曲线数学模型

4.4 拉伸变形后合金的断口形貌及组织分析

4.5 氢对Ti–6Al–4V 合金拉伸断裂行为的原位观察

4.5.1 原位拉伸试验力学性能

4.5.2 未置氢Ti–6Al–4V 合金的断裂过程

4.5.3 置氢Ti–6Al–4V 合金的断裂过程

4.5.4 除氢Ti–6Al–4V 合金的断裂过程

4.5.5 原位拉伸试样的断口形貌

4.5.6 有限元模拟结果分析

4.6 本章小结

第5章 氢对Ti–6Al–4V 合金压缩变形行为的影响

5.1 引言

5.2 氢含量对Ti–6Al–4V 合金室温压缩性能的影响

5.3 Ti–6Al–4V–xH 合金室温压缩变形应力应变曲线数学模型

5.4 压缩变形后合金的断口形貌及组织分析

5.5 氢含量对Ti–6Al–4V 合金高速压缩性能研究

5.5.1 磁脉冲压缩性能分析

5.5.2 磁脉冲压缩断口观察

5.5.3 磁脉冲压缩变形后合金的组织分析

5.6 置氢Ti–6Al–4V 室温拉伸与压缩性能改性机理

5.7 置氢Ti–6Al–4V 合金最佳室温塑性成形条件

5.8 本章小结

第6章 除氢Ti–6Al–4V 合金的微观组织及其力学性能研究

6.1 引言

6.2 除氢规范的制定

6.3 除氢Ti–6Al–4V 合金的微观组织

6.4 差热分析

6.5 除氢Ti–6Al–4V 合金的室温拉伸性能研究

6.6 除氢Ti–6Al–4V 合金的室温压缩性能研究

6.7 本章小结

第7章 氢对Ti–6Al–4V 合金摩擦磨损性能的影响

7.1 引言

7.2 氢对Ti–6Al–4V 合金摩擦性能的影响

7.3 氢对Ti–6Al–4V 合金磨损性能的影响

7.4 磨损机制

7.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历