不同温度下激光冲击TA2工业纯钛拉伸性能及微观强化机理研究

摘要

钛及钛合金因其密度低、比强度高、机械性能好和耐腐蚀性强等优点在航空航天、海洋开发和汽车工业等领域上的应用越来越广泛。通常钛及其合金结构件的中高温服役环境在500℃以下，而传统的表面处理方法无法满足钛及其合金结构件的中高温强化要求。激光冲击强化技术是一种新型的表面处理技术，广泛应用于金属材料的表面改性方面研究。目前尚未发现有关激光冲击强化工业纯钛在不同温度下的拉伸力学性能方面的研究，也未见关于激光冲击强化工业纯钛在不同温度下的微观组织演变和塑性变形行为方面的报道。
　　针对以上问题，本文以TA2工业纯钛为研究对象，开展了激光冲击工业纯钛在不同温度下的拉伸性能和断口形貌特征，组织演化和显微硬度分布特点，以及激光冲击工业纯钛中高温拉伸塑性变形行为微观演变机制等方面的研究，具体研究内容如下：
　　(1)研究了激光冲击TA2工业纯钛在不同温度下的拉伸性能和断口形貌特征，获得了中高温拉伸变形行为与断口形貌演变的规律：
　　对TA2工业纯钛拉伸试样标距部分进行大面积激光冲击强化处理，对未冲击试样和冲击试样在20℃、150℃、250℃以及350℃下进行拉伸试验，结果表明工业纯钛抗拉强度随温度升高显示出降低的趋势。同一种温度下激光冲击试样断口颈缩现象比未冲击试样断口要明显，并且断口形貌显示激光冲击试样的塑性更好。温度变化对TA2工业纯钛断裂类型的影响非常明显，常温下TA2工业纯钛拉伸断裂类型属于脆性断裂，当拉伸温度逐渐提高时，工业纯钛表现出更加优异的塑性性能，断裂形式也逐渐转变为混合断裂和韧性断裂。
　　(2)研究了激光冲击TA2工业纯钛微观组织和显微硬度分布，以及微观组织结构变化和显微硬度变化的内在联系：
　　对不同拉伸温度的TA2工业纯钛断口区微观组织和显微硬度进行了深入的研究，结果表明激光冲击后的 TA2工业纯钛晶粒细化明显，有大量变形孪晶、位错和“透镜状”相变马氏体α′产生。激光诱导产生的马氏体相比于钢铁中的要细小很多，且性质不稳定。当温度逐渐升高至350℃后，晶内相变马氏体发生→α′逆相变，并且随着温度的升高逐渐消失。发现晶粒都有不同程度的变大，但是幅度不是很均匀，亚晶粒长大较为明显。激光冲击强化处理显著提高了TA2工业纯钛的硬度，随着拉伸温度的提高硬度有所降低，但是幅度不是很大。又因为拉伸断裂产生严重塑性变形后，塑性变形过程中流动应力不断增加，并且有大量位错和形变孪晶产生，位错相互作用，在流动应力的作用下弥散速度加大，钉扎效应增强，又会有新的位错源产生导致显微硬度提高。因此，温度升高晶粒变大引起的软化和拉伸机械变形引起的硬化两者共同作用，使得硬度变化不是很大。
　　(3)研究了激光冲击工业纯钛拉伸试样在不同温度下塑性变形微观演变机制以及同一试样不同区域位置的塑性变形演变机制：
　　对激光冲击TA2工业纯钛拉伸试样在不同温度下拉伸区的TEM图像微观组织进行了全面的研究，研究发现不同温度下拉伸试样的变形行为模型可用位错分步激活和孪晶解体模型来解释。激光冲击使得TA2工业纯钛生成孪晶，由于工业纯钛的层错能低，中高温和变形外力对位错有激活作用，孪晶中积塞的位错被激活，不断穿过孪晶界，当温度和外力到达某个临界值，孪晶界基本解体，孪晶消失，积塞的位错弥散均匀分布。在这个过程中，孪晶界会吸纳其反应物—不全位错，从而提高材料塑性性能。当温度升高到350℃以上时，塑性变形行为的位错分步激活和孪晶解体模型基本结束，这段变形行为中位错的形核及运动在塑性变形过程中成为主要机制。不同断口区域的微观组织的不同，主要是孪晶界造成的结果，严重塑性变形区域的 TA2工业纯钛内部生成大量孪晶簇，孪晶界的存在阻碍了受外应力激活位错的运动。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 激光冲击强化技术

1.3 中高温拉伸性能简介

1.4 塑性变形微观机理研究现状

1.5 金属材料显微组织理论基础

1.6 课题研究的意义和主要研究内容

第二章 激光冲击强化对TA2工业纯钛中高温拉伸性能和断口形貌的影响

2.1 引言

2.2 试验设备及方法

2.3 试验结果及分析

2.4 本章小结

第三章 激光冲击强化TA2工业纯钛中高温拉伸硬度和微观组织的研究

3.1 引言

3.2 试样制备及检测方法

3.3 试样的微观组织和硬度检测结果与分析

3.4 本章小结

第四章 激光冲击强化TA2工业纯钛中高温拉伸后塑性变形的微观机理研究

4.1 引言

4.2 激光冲击强化TA2工业纯钛中高温拉伸后TEM试样制备

4.3 TEM结果及微观机理分析

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

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