TC11钛合金热变形行为及疲劳性能的研究

摘要

TC11钛合金具有比强度高、中温性能好、耐腐蚀性能好、密度低等优点，具有钢和铝合金等结构材料的诸多优良性能，使其成为理想的航空航天材料。片层组织TC11合金具有较好的热强性，较高的抗拉强度，但拉伸塑性和疲劳性能不佳。在生产实际中，高温拉伸也是一种常用的加工、成型手段，且TC11合金部件经常承受疲劳载荷的作用。因此，开展TC11合金高温拉伸变形行为及室温疲劳性能的研究具有重要的理论和实际意义。　　本文选取了具有α/β片层组织的TC11钛合金，进行了不同温度(700℃～950℃)、应变速率(0.001s-1～4s-1)下的拉伸实验，系统研究了高温拉伸变形规律及微观组织演化特点。开展了不同厚度样品(0.1mm～2mm)室温拉伸及疲劳实验，研究样品厚度对拉伸、疲劳性能的影响。研究结果表明:　　相同应变速率下，高温拉伸流变峰应力随温度的升高而降低;相同变形温度下，流变峰应力随应变速率的增加而升高。与应变速率相比，变形温度对流变峰应力的影响更明显，700℃时各应变速率下的流变峰应力相差不大;950℃时开始出现明显的流动软化效应。　　高温拉伸变形分析表明:700℃下变形时，微观组织为剪切带变形;800℃～850℃下变形时，材料发生剪切带变形并伴随片层碎化和等轴化行为;900℃～950℃下材料变形组织全部为碎化、等轴化组织。随着变形温度的升高，裂纹、孔洞等损伤的分布位置由晶界逐渐向晶内变化;裂纹、孔洞的面积率呈现先增大后减小的趋势。高温拉伸变形区域的EBSD分析表明:700℃-0.001s-1下变形，伯格斯取向关系未被破坏，表现为α片层与β片层协调变形;700℃-4s-1下变形，伯格斯取向关系被轻度破坏，变形主要集中在β相;950℃-0.001s-1下变形，伯格斯取向关系被严重破坏，表现为变形组织较充分的碎化、等轴化;950℃-4s-1下变形，伯格斯取向关系破坏较为严重，表现为变形组织被拉长和局部组织的碎化、等轴化。　　不同厚度样品S-N曲线分析表明:厚度2mm～0.4mm样品的疲劳性能接近，其在低周疲劳区疲劳性能较好;厚度0.2mm～0.1mm样品在高周疲劳区的疲劳性能明显优于厚度2mm～0.4mm的样品。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 钛及钛合金的特点

1．2 钛合金的分类

1．3 材料疲劳概述

1．3．1 疲劳载荷特点

1．3．2 疲劳断裂特点

1．3．3 疲劳断口特征

1．3．4 疲劳破坏机理

1．3．5 S-N曲线与疲劳极限

1．4 钛合金的应用

1．5 α+β型钛合金TC11的简介

1．6 钛合金国内外研究现状

1．6．1 钛合金热拉伸变形行为的研究

1．6．2 钛合金断裂行为的研究

1．6．3 钛合金球化等轴化机理的研究

1．6．4 钛合金疲劳行为的研究

1．7 本课题研究的目的与意义

1．8 论文主要研究内容

第2章 实验材料与方法

2．1 实验材料

2．2 材料组织结构的观察与表征

2．3 拉伸及疲劳试样的制备

2．3．1 高温拉伸试样的制备

2．3．2 室温拉伸及疲劳样品的制备

2．4 实验方法

2．4．1 TC11钛合金高温拉伸实验

2．4．2 TC11合金室温拉伸及疲劳实验

2．4．3 高温拉伸样品断口微观组织结构表征及损伤统计

2．4．4 室温拉伸及疲劳试样形貌观察

第3章 TC11合金高温拉伸变形行为

3．1 变形参数对流变应力的影响

3．1．1 变形温度对TC11合金流变应力的影响

3．1．2 应变速率对TC11合金流变应力的影响

3．1．3 变形参数对TC11合金拉伸流变峰应力的影响

3．2 TC11合金高温拉伸变形机理的讨论

3．2．1 高拉伸过程中绝热升温的计算

3．2．2 TC11钛合金高温变形激活能的计算

3．3 TC11钛合金热拉伸组织演变规律

3．3．1 TC11钛合金热拉伸微观组织形貌分析

3．3．2 TC11合金高温拉伸组织损伤统计与分析

3．4 TC11合金高温拉伸断口区域TEM分析

3．5 TC11合金高温拉伸变形区的EBSD分析

3．5．1 TC11合金原始组织EBSD取向分析

3．5．2 高温拉伸变形后TC11合金组织取向变化分析

3．5．3 TC11合金不同变形条件伯格斯(Burgers)取向关系的变化

3．6 本章小结

第4章 TC11合金室温拉伸及疲劳行为研究

4．1 TC11合金室温拉伸变形行为的研究

4．1．1 样品厚度对TC11合金拉伸力学性能的影响

4．1．2 样品厚度对拉伸组织形貌的影响

4．2 TC11合金室温疲劳行为的研究

4．2．1 不同厚度TC11合金样品室温疲劳S-N曲线

4．2．2 TC11合金不同厚度样品疲劳断口分析

4．3 本章小结

第5章 结论

参考文献

致谢