Ti-2.5Cu合金的强化相析出及其对合金变形机制与力学行为的影响

摘要

本文对Ti-2.5Cu合金采用不同的时效工艺改变组织中增强相的尺寸、形貌和取向，研究了强化相的析出，系统地研究了颗粒增强Ti-2.5Cu合金在不同的施载模式下的力学性能和变形机制，最后分析总结了α钛合金中的孪生变形特征。根据对孪晶-孪晶、孪晶-强化相、孪晶-晶界之间相互作用的分析，以及增强相对孪晶形成过程的影响，最后确定钛合金中合适的增强相，结合强化相对材料强度的贡献和孪生切变对塑性的贡献，设计出一种低温高强度高塑性的钛合金材料。本文研究结果表明:
　　Ti-2.5Cu经不同的固溶和时效处理后均得到Ti2Cu亚微米级针状增强颗粒，其硬度在2000～2400MPa之间。
　　固溶双重时效后的Ti-2.5Cu近α钛合金经单调静载荷试验后，获得高的强度，同时保持了高的塑性;但在冲击载荷下得到的韧性较低，不适合在冲击载荷下使用。并通过对时效态Ti-2.5Cu进行循环疲劳载荷试验，发现低温循环应力较大。大应变幅下低温疲劳寿命较长，也说明了时效态Ti-2.5Cu的塑性较好。
　　时效态Ti-2.5Cu合金之所以有良好的低温性能，与它的微观变形机制密不可分。该材料的断裂过程是微孔的形核、长大和聚合的过程;室温变形是以位错滑移机制为主;低温变形以孪生切变为主。低温循环载荷下发现三种类型的孪晶:11(2)3和（11(2)1）型拉伸孪晶、(11(2)2)型压缩孪晶。值得关注的是时效强化Ti-2.5Cu合金中的Ti2Cu强化相阻碍了位错的运动导致了明显的硬化，另一方面却对孪晶的形成没有明显的影响，然而由于TWIP机制，使得Ti-2.5Cu合金的塑性得到提高。
　　由于α钛合金在低温下有着非常丰富的孪生变形，本文提出了一种设计低温高强度、高塑性材料的方法:通过原位反应生成颗粒增强相的方法来获得更加高强度的材料，同时利用孪生诱发塑性机制，可使材料保持高的塑性，来获得更多具有高强度和高塑性的工程材料。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 钛及钛合金

1．1．1 纯钛的基本性质

1．1．2 钛合金的分类

1．1．3 钛及钛合金应用

1．2 钛合金的热处理

1．2．1 退火

1．2．2 淬火和时效

1．3 钛及钛合金的强化机制

1．3．1 固溶强化

1．3．2 时效析出相的强化

1．3．3 钛及钛合金的孪生与强韧化

1．4 钛和钛合金的变形机制

1．4．1 钛中的滑移系

1．4．2 孪生变形

1．4．3 孪生－滑移、孪生－孪生、孪生－晶界的交互作用

1．5 孪生切变的影响因素

1．5．1 温度

1．5．2 晶粒尺寸

1．5．3 第二相粒子

1．5．4 合金化

1．5．5 应变速率及应变量

1．5．7 施载模式

1．6．1 本研究的背景和意义

1．6．2 主要研究内容

1．6．3 主要技术路线

2 试验材料与试验过程

2．1 实验材料

2．2 力学性能测试

2．2．2 静拉伸试验

2．2．3 压缩性能试验

2．2．4 冲击试验

2．2．5 拉－压循环疲劳试验

2．3 电子显微分析

3 时效工艺对Ti－2.5Cu中强化相和硬度的影响

3．1 时效工艺对颗粒增强相Ti2Cu的影响

3．2 含不同强化相颗粒Ti－2.5Cu合金的硬度

3．3 本章小结

4 时效强化Ti－2.5Cu的单向载荷力学性能和变形机制

4．1 单向静载荷拉伸和压缩力学性能

4．2 拉伸变形后的断口分析

4．3 拉伸和压缩变形后的微观组织

4．4 时效态Ti－2.5Cu的冲击性能

4．4．1 冲击载荷－位移曲线

4．4．2 时效态Ti－2.5Cu的冲击断口形貌

4．5 本章小结

5 时效强化Ti－2.5Cu在循环疲劳载荷下的力学性能和变形机制

5．2 时效态Ti－2.5Cu的低周疲劳寿命

5．3 时效态Ti－2.5Cu疲劳变形后的断裂方式

5．4 时效强化Ti－2.5Cu的疲劳变形机制

5．5 本章小结

6 α钛中孪生切变特征

6．1 六方结构金属的变形机制

6．2 孪晶形核

6．2．1 非均匀形核

6．2．2 均匀形核

6．2．3 滑移和孪生的关系

6．3 孪生变形机制的特点

6．3．2 孪晶－孪晶的交互作用

6．3．3 孪晶－强化相间的相互作用

6．3．4 孪晶－位错的交互作用

6．4 本章小结

7 结论

致谢

参考文献

硕士期间发表的论文