相比例对高压扭转TC4钛合金晶粒细化及超塑性的影响

摘要

高压扭转法(High Pressure Torsion，HPT)是一种制备块体超细晶材料的新型塑性加工方法，它能显著细化晶粒，提高材料的力学性能，已成为材料科学与工程领域内的研究热点。
　　本文采用高压扭转法对初始相比例不同的TC4钛合金在室温下进行了不同扭转圈数的剧烈塑性变形。采用光学显微镜、透射电子显微镜和显微硬度计观察和分析了HPT变形试样的显微组织特征和性能，研究了不同扭转圈数和初始相比例对HPT后合金的组织和显微硬度的影响，探讨了HPT过程中的组织细化机理。此外，在低温条件(500～600℃)下对高压扭转变形获得的超细晶TC4钛合金进行超塑性拉伸试验，分析其超塑性变形能力和变形力学行为，并对其变形机理进行了讨论。主要结论如下:
　　(1)冷轧态TC4钛合金经两相区热处理(910℃/45min+550℃/3h、950℃/45min+550℃/3h和970℃/45min+550℃/3h，冷却方式为空冷)后获得了三种不同相体积分数的等轴α+β转变组织。随着温度升高，β转变组织含量增多，分别为30％(TC4-1)、53％(TC4-2)、75％(TC4-3)，最终得到的等轴α相晶粒尺寸分别为～7.0μm，～9.0μm和～9.5μm。
　　(2)高压扭转试验表明:高压扭转后，试样的硬度随着扭转圈数增多而升高，且沿着直径方向上的硬度值分布不均匀，中心硬度低，边缘硬度高。当圈数大于5圈时，硬度值逐渐达到饱和状态，当圈数达到20圈时，显微硬度达到最大值，且沿直径方向上的分布趋于均匀。高压扭转变形时，晶粒尺寸随扭转圈数的增加而减小。在20圈扭转变形后，三种不同初始相比例的TC4钛合金的晶粒尺寸分别达到了117±30nm(TC4-1)、83±25nm(TC4-2)和77±15nm(TC4-3)，说明片层组织更有利于高压扭转过程中的晶粒细化。此外，经20圈扭转变形后，随着组织中片层组织含量的增多，试样中心处低硬度值区域的直径逐渐减小，分别为3.0mm、2.0mm和1.0mm，与观察到的显微组织中心处变形不均匀区域直径大致相符。
　　(3)高压扭转过程中的显微组织观察表明:经1圈扭转变形后，晶粒内部出现了取向差较小的板条状组织;经5圈扭转后，板条间的取向差增大，逐渐发展为亚晶界，同时板条内的胞状组织增多，使板条沿长轴方向开始细化;随着扭转圈数的继续增大，胞状组织演变成亚晶，进而发生动态回复形成具有大角度晶界的等轴状超细晶组织。
　　(4)对HPT超细晶TC4钛合金的超塑拉伸试验表明:在实验条件下，TC4合金表现出了很好的低温高应变速率超塑性。在(ε)=10-2s-1，温度为600℃时延伸率高达419％;当变形在较低的温度T=500℃((ε)≤5×10-3s-1)下进行时，延伸率仍然超过了300％;合金在600℃应变速率为5×10-3s-1时，得到最大延伸率736％。此外，超细晶TC4钛合金是一种对变形温度和应变速率敏感的材料，流动应力和延伸率均随着变形温度的升高而升高，随着应变速率的增加而下降。
　　(5)在试验温度范围内，TC4钛合金的变形激活能在162～180kJ/mol之间，与钛合金的晶界自扩散激活能（130～169kJ/mol）十分相近，说明HPT超细晶TC4钛合金在500～600℃温度范围内进行超塑拉伸变形时，晶界扩散控制的晶界滑动是超塑变形的主要机制。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 钛合金概述

1．1．1 钛合金的分类

1．1．2 钛合金的典型组织

1．1．3 钛合金的特点

1．2 高压扭转工艺

1．2．1 高压扭转工艺概况

1．2．2 高压扭转法的影响因素

1．2．3 高压扭转工艺的国内外研究现状

1．3 制备超细晶／纳米晶材料的其它塑性变形方法

1．3．1 等通道转角挤压(ECAP)

1．3．2 累积叠轧(ARB)

1．3．3 多向锻造(MF)

1．4 钛合金的超塑性

1．4．1 超塑性简介

1．4．2 钛合金超塑性变形影响因素

1．4．3 超塑性变形机理

1．5 本文主要研究内容

第2章 试验材料及试验方法

2．1 试验材料

2．2 试验方法

2．2．1 热处理工艺

2．2．2 高压扭转试验

2．2．3 拉伸试验

2．3 显微组织观察与力学性能分析

2．3．1 光学显微镜(OM)观察

2．3．2 透射电子显微镜(TEM)观察

2．3．3 显微硬度分析

第3章 TC4钛合金的高压扭转变形研究

3．1 热处理工艺对TC4钛合金显微组织和显微硬度的影响

3．1．1 热处理工艺对TC4钛合金显微组织的影响

3．1．2 热处理工艺对TC4钛合金显微硬度的影响

3．2 TC4钛合金在高压扭转变形后的显微硬度

3．3 TC4钛合金在高压扭转变形中的显微组织演变

3．3．1 金相显微组织观察

3．3．3 TEM组织分析

3．4 相比例对高压扭转变形的影响

3．4．1 显微组织

3．4．2 显微硬度

3．5 本章小结

第4章 细晶TC4钛合金的低温超塑拉伸变形行为研究

4．1 变形试样的宏观形貌及延伸率

4．2 细晶TC4钛合金的真应力-真应变曲线

4．2．1 变形温度对拉伸力学行为的影响

4．2．2 应变速率对拉伸力学行为的影响

4．3 变形激活能Q值求解

4．4 本章小结

第5章 结论

参考文献

致谢