深冷处理对TC4钛合金电子束焊接接头应力和力学性能影响研究

摘要

钛合金由于其优越的性能,广泛应用于航空航天重要承载结构件中。电子束焊接由于能够保证接头化学成分纯净、能量密度高、焊接接头热影响区小等一系列优点成为钛合金焊接的首选,尤其是在航空航天、核电等领域。深冷处理是改善材料组织性能的一种工艺,研究和分析深冷处理对钛合金电子束焊接接头性能的影响具有一定的理论和现实意义。
　　本论文以TC4钛合金作为研究对象,首先通过焊接工艺实验,得到了9 mm厚TC4钛合金电子束焊接工艺参数;其次测量了TC4钛合金电子束焊后焊缝形貌及平板表面残余应力,利用有限元软件ABAQUS建立了正确有限元模型;进而发现平板焊后内部存在较大残余应力,尤其是焊缝中心存在三向拉伸应力。因而提出对焊接接头进行深冷处理,降低残余应力及改善TC4钛合金组织和力学性能。通过对深冷处理后TC4电子束焊接接头的残余应力测试、力学性能测试,并对金相、扫描电镜图像、XRD及拉伸和冲击断口扫描图像对深冷作用机理进行了研究和解释,具体结果如下:
　　对在液氮温度下保温时间分别为0h、2h、15h、24h、48h的深冷处理工艺进行了研究。残余应力测试表明,随着深冷处理时间的增加,平板表面残余应力降低。深冷处理在24小时以上后,焊缝中心表面残余应力大幅降低。由此可以发现,最佳深冷处理工艺为:液氮温度下保温24小时以上。
　　深冷处理后金相和SEM图像发现,在接头熔合线处析出大量第二相晶粒,并且沿着一定方向规律性排列;在焊缝处析出少量细小的第二相并有长大趋势。在焊缝处还发现晶粒内部发生了相变,使得块状α相增多。XRD显示出焊缝处有新相析出,并且随着深冷处理时间的增大,主要衍射晶面相对强度都发生了变化,晶粒发生了转动。深冷降低TC4钛合金电子束焊接接头残余应力的机理是焊缝附近析出第二相、相变、晶粒发生转动等,从而改善了接头组织。深冷处理对TC4电子束焊接接头的硬度影响很小。随着深冷处理时间的增加,硬度稍微会降低,但降低幅度很小。深冷处理对TC4电子束焊接接头的抗拉强度没有明显影响;对接头的伸长率和断面收缩率的影响是,深冷处理2小时降低了其伸长率和断面收缩率,随深冷处理时间增加,伸长率和断面收缩率迅速增大。随着深冷时间的增大,冲击韧性先降低后升高,当深冷处理时间大于24小时后,接头的冲击韧性才恢复到焊后接头韧性水平。

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第一章 绪论

1.1 钛及钛合金

1.2 TC4钛合金

1.3 钛合金焊接模拟

1.4 深冷处理简介

1.5 本文研究内容

第二章 9mm厚TC4钛合金电子束焊接工艺研究

2.1 实验材料及焊前处理

2.2 实验设备及方法

2.3 电子束焊接工艺参数确定

2.4 本章小结

第三章 9 mm厚TC4钛合金电子束焊接模拟

3.1 有限元模拟理论基础及模型建立

3.2 有限元模型

3.3 有限元模拟计算结果及讨论

3.4 本章小结

第四章 深冷处理对TC4钛合金电子束焊接残余应力影响

4.1 深冷处理的工艺

4.2 深冷处理后残余应力测试

4.3 深冷处理后TC4钛合金焊接接头组织变化

4.4 本章小结

第五章 深冷处理对TC4电子束焊接接头力学性能影响

5.1 前言

5.2 深冷处理工艺对TC4电子束焊接接头硬度的影响

5.3 深冷处理工艺对TC4钛合金电子束焊接接头拉伸性能影响

5.4 深冷处理工艺对TC4电子束焊接接头冲击韧性影响

5.5 本章小结

第六章 总结

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

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