TC18钛合金双圆锥台试样热变形有限元模拟研究

以新型高强韧TC18钛合金为例, 研究了双圆锥台试样热变形规律。基于热模拟试验, 获得TC18钛合金的高温流变行为, 采用Arrhenius双曲正弦函数建立TC18钛合金的本构方程。对双圆锥台试样热变形进行有限元模拟, 获得了压缩后变形试样纵向截面的应变梯度分布。对比双圆锥台试样不同应变区域与相同变形条件下GLEEBLE热模拟试样的α相平均晶粒尺寸, 结果表明一个双圆锥台试样上可以快速获取多个不同应变条件的热变形组织。     

晶界特征分布对1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢绝热剪切带自组织的影响

通过形变热处理工艺优化不锈钢的晶界特征分布,并采用厚壁圆筒外爆压缩加载实验对形变热处理前后的试样进行动态加载,研究了晶界特征分布对1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢绝热剪切带自组织的影响。结果表明,形变热处理工艺优化了不锈钢的晶界特征分布,特殊晶界比例尤其是∑3晶界比例分别从27.8%,18.9%提高到72.5%,55.8%,一般大角度晶界被小角度晶界和特殊晶粒团簇取代或阻断。加载后两种状态试样的剪切带的数量和间距差别较小,但是固溶试样剪切带的平均扩展速率为446 m/s,最长剪切带长度为2.33 mm,而形变热处理试样分别为338 m/s和1.75 mm。晶界特征分布优化对剪切带的形核影响较小,但是由于特殊晶界比例的提高,明显阻碍了绝热剪切带的扩展,提高了高速变形条件下的抗损伤能力。     

TB8钛合金螺栓断裂分析

对TB8钛合金螺栓分别进行双剪切试验和疲劳试验,发现螺栓提前断裂。结合试验件断口分析、金相组织分析、X射线衍射(XRD)分析、能谱(EDS)分析和硬度检测等手段,确定了TB8钛合金螺栓的断裂模式,分析了螺栓试验件未达到试验要求的原因。结果表明,双剪切试样断口为等轴韧窝和沿晶断裂混合形貌;双剪切试样未达到试验要求可能与局部晶界及附近晶粒上析出的颗粒状脆性Ti_3Al相有关;疲劳试样断口可见疲劳条带,为疲劳断裂,疲劳试样未达到试验要求可能与在β相晶粒上析出的α相的形态差异以及组织均匀性有关。     

粗粒含量对排土场堆石体剪切变形和强度的影响研究

为探讨粗粒含量对堆石体剪切特性的影响, 采用室内中型直剪仪, 对不同组构试样开展了剪切试验。研究表明, 粗粒料剪切过程中没有明显的峰值强度, 且应力应变关系表征为应变硬化型。相同正应力条件下, 试样剪切应变达到1/100时的剪切模量随粗粒含量增加而增大, 试样在破坏时的剪切模量随着粗粒含量增加呈先增大后减小的趋势, 且粗粒含量为70%时试样剪切破坏模量达到最大值。粗粒料内摩擦角与粗粒含量之间存在指数关系, 相关系数为0.912 6, 摩擦角随粗粒含量增加而增大; 粘聚力与粗粒含量间的规律性尚不明显。     

岩石类试件损伤失稳时的位移特性分析

通过对平面应变条件下不同损伤程度时试样变形过程中的应力位移变化值进行监测,分析了试样分叉与剪切带形成过程中轴向应力位移曲线,轴向-侧向位移对比曲线,剪切带网络特征及其随损伤程度变化的规律。研究表明,加载初期,围压存在时,试样首先表现为短暂的侧向压缩,随后开始发生侧向膨胀,损伤发生于材料达到峰值强度后,损伤程度越大,试样的残余强度与达到残余强度时的轴向位移越小,试样达到分叉点和剪切带形成点处的轴向位移越小,试样越容易发生失稳,剪切带网络开始于应力-位移曲线的弹性II阶段,发展于软化下降阶段,而形成于残余强度阶段。     

应变速率对Al0.4CoCrFeNi高熵合金绝热剪切敏感性的影响

在室温下利用分离式霍普金森压杆对Al_0.4CoCrFeNi高熵合金帽型试样进行动态加载,研究了不同应变速率下Al_0.4CoCrFeNi高熵合金的绝热剪切敏感性。结果表明,动态加载前后Al_0.4CoCrFeNi高熵合金的晶粒尺寸分别约为100 μm、100 nm,相差约3个数量级,动态加载后细小的晶粒尺寸使Al_0.4CoCrFeNi高熵合金具有更低的绝热剪切敏感性; Al_0.4CoCrFeNi高熵合金绝热剪切敏感性随应变速率增加而增加,在实验范围内,应变速率3 360 s^-1时绝热剪切敏感性最高,产生了与动态加载方向成45°、宽约2 μm的绝热剪切带,此时临界应变值和单位体积绝热剪切形成能也最小。Al_0.4CoCrFeNi 高熵合金在高应变率变形过程中晶粒发生明显细化。Al_0.4CoCrFeNi高熵合金在动态加载下的绝热剪切归结为材料的热-黏塑性本构失稳。     

FeCoNiCrMn高熵合金动态力学性能与微观结构

采用分离式霍普金森压杆研究了等原子比FeCoNiCrMn高熵合金的动态力学性能及其微观结构。结果表明, FeCoNiCrMn高熵合金的锯齿行为在高应变速率下表现出明显的应变率敏感性。高熵合金在高应变率下的屈服强度随应变率增加而显著增加。当真应变为3.07时, 真应力达到1 270 MPa, 此时FeCoNiCrMn高熵合金帽型样品出现剪切失稳现象, 并形成一条宽20 μm左右的剪切带。利用光学显微镜、电子探针显微分析仪和透射电子显微镜分析了高熵合金显微组织的演变, 发现在剪切带的边界处, 位错胞和孪生结构沿剪切方向高度拉长, 直径约为150 nm的超细等轴晶粒和纳米孪晶共同存在于剪切带的中心。     

某矿区岩石蠕变力学特性研究

利用RYL-600微机控制岩石剪切流变仪对某矿区岩石进行了蠕变试验, 在对试验数据进行深入分析的基础上, 选用Burgers模型对试样的蠕变特性进行了描述。结果表明, 当应力水平处于稳定状态时, 试样轴向应变逐渐增大并最终趋于稳定, 且蠕变应变随应力水平增长而增大; 随应力水平提高, 试样瞬时弹性模量呈上升趋势; 试验得到的蠕变试验曲线与模型理论曲线基本吻合, Burgers模型能较好地描述该矿区岩石的蠕变特性。     

控温策略优化对电子束选区熔化成形TC4钛合金力学性能的影响

电子束选区熔化是一种真空条件下高温成形的粉床式增材制造技术,高温度场的控温策略对成形性能与制件组织力学性能均具有决定性影响。采用电子束选区熔化成形TC4钛合金试样,开发了以平均束流为判据的综合控温策略,实现了适应填充截面积变化的自主控温策略,并基于过程预热方法,开展了热量分配策略研究,分析其对力学性能的的影响。结果表明：无过程预热且平均束流较低时,TC4钛合金的抗拉强度为979—995 MPa,并且随平均束流增加呈先上升后下降的趋势;加入过程预热并和填充多重耦合后,提高了温度场的精确控制能力,从而提高了电子束3D打印产品的力学性能。     

AZ31连铸板的高温压缩变形行为及组织演变

合金在高温下的流变应力与组织演变特征是构建合金热加工参数的重要基础。基于此,利用Gleeble 1500D对AZ31连铸板在温度为450和500℃、应变速率为0.15 s^(-1)的压缩行为进行了研究,并将其与400℃及以下温度的压缩变形行为进行了对比。结果发现:随着温度的升高,合金的稳态流变应力值下降,在500℃进行35%变形时仅约28.2 MPa;在较低温度时,合金流变应力取向差异(0°试样<5°试样<10°试样)随温度升高而消失;不同于稳态流变应力的变化,再结晶比例则随变形温度的升高而增大,变形量与再结晶比例之间保持正相关,而取样角度使得再结晶比例的取向性较强,500℃时再结晶比例在不同取样方向上遵循0°试样<5°试样<10°试样的变化趋势;随着变形量的进行,动态再结晶越来越充分,其组织形貌逐渐由晶界处的零散分布再结晶晶粒向“项链状”再结晶分布转变,并且逐渐呈包围状态向晶体内部扩展,最后完全取代原始连铸板组织。此外,通过示意图的方式再现了合金再结晶的形核与长大过程。     

保温时间对AZ31B/ZnAl15/TC4扩散钎焊接头组织及力学性能的影响

为实现AZ31B镁合金与TC4钛合金的可靠连接, 采用ZnAl15作为中间层, 在520 ℃、0.01 Pa真空下对AZ31B与TC4进行了扩散钎焊试验, 研究了保温时间对焊接接头微观结构、显微硬度和剪切强度的影响。结果表明, 以ZnAl15为夹层的AZ31B/TC4扩散钎焊界面显微组织包括α-Mg固溶体、Mg-Al-Zn化合物以及α-Mg+Al₆Mg₁₁Zn₁₁共晶体。ZnAl15夹层AZ31B/TC4界面的显微硬度呈台阶式分布, 靠近钛侧的显微硬度值最大, 靠近镁侧的显微硬度值最小; 接头剪切强度随保温时间延长呈先增加后减小的规律, 520 ℃下保温20 min时的剪切强度达到最大值71 MPa, 约为AZ31B母材(82.4 MPa)的86.2%。接头拉伸断口由许多大小不等、形状不规则的冰晶状物相组成, 呈沿晶断裂特征。     

3D打印SLM工艺用球形钛合金粉制备工艺及性能研究

以不规则形态TC4钛合金粉末为原料,采用感应等离子球化技术制备出3D打印选区激光熔化工艺(SLM)用细粒径球形钛合金粉,通过扫描电子显微镜(SEM)、激光粒度分析仪对粉末形貌、粒度进行表征分析。结果表明:原料粒度、送粉速率以及等离子功率等对球化后钛合金粉末颗粒的球化率及表面状态有重要影响,在其他工艺参数不变的前提下,送粉速率过小、等离子功率过大,球形钛合金粉末表面状态欠佳;送粉速率过大、等离子功率过小,球形钛合金粉末球形率欠佳。根据影响规律,选定最优工艺参数,等离子功率14kW,对制备的球形钛合金粉基本性能进行表征,其中球形钛合金粉粒径主要分布在20~50μm,占比达95.62%,Fe、O等总杂质含量为0.51%,松装密度、振实密度、流动性分别为2.40g/cm³、2.68g/cm³、38s/50g,产品性能达到SLM工艺要求。     

动态加载时β钛合金马氏体相变研究

为了研究应变速率对β钛合金马氏体相变的影响, 采用分离式霍普金森压杆对Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe β钛合金进行了不同应变速率下(400~1 600 s^-1)的动态变形, 采用光学显微镜、电子背散射衍射和透射电镜研究了动态变形后的微观组织。结果表明, 提高冲击功和应变速率可以提高Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe β钛合金的屈服强度, 当应变速率为1 600 s^-1时, 屈服强度可达1 250 MPa。在动态冲击过程中, β晶粒中出现大量板条状α'马氏体, 马氏体的面积分数随应变速率的增加而增大, 说明应变速率对β钛合金的马氏体相变起着重要作用。应变速率会加速马氏体相变, 是因为随着应变速率增加, 马氏体的形核位置更多, 马氏体形成的吉布斯自由能降低。     

TC18合金动态力学行为的研究与分析

采用电子万能试验机对TC18合金进行了常温准静态压缩实验,得到合金在准静态下的实验数据,根据实验数据,选用分离式Hopkinson压杆对TC18合金在温度分别为298K、523K、773K和1023K,应变率分别为500s_-1、1000s_-1和1500s_-1下进行动态力学性能实验,得到了合金在高温动态压缩条件下的应力-应变曲线,分析了温度和应变率对TC18合金动态力学行为的影响。结果表明：在同一温度下,随着应变速率的增加,TC18合金的塑性应变明显增大,表现出一定的应变率增塑效应;在同一应变率下,随着温度的增加,材料的流变应力有显著的下降,表现出明显的热软化效应;在高应变率下的塑性变形过程中,应变率强化和热软化作用同时进行,当温度超过773K时,热软化作用大于应变率强化作用。     

基于正交试验的钛合金TC4切削参数的优化设计

钛合金TC4是机械生产制造领域重要的材料,其生产质量和加工效率对机械制造业有着重要的影响。为减小钛合金TC4的加工磨损,提高其加工精度和生产效率,采用正交试验法对其切削参数进行优化,以获得最合理的切削参数。首先,对钛合金TC4的切削参数进行正交设计,然后建立钛合金的切削有限元模型,根据设计的切削参数进行切削仿真,最后确定最优切削参数。     

两步锻压提升铸态AZ80镁合金延伸率的研究

结合光学显微镜和电子背散射衍射技术,对铸态AZ80镁合金中间退火两步锻压过程中的组织演化进行了观察。采用室温拉伸实验,检测了两步锻压后样品的力学性能,并将其组织、性能同普通一步锻压工艺进行了对比。结果表明,与一步锻压后的AZ80镁合金相比,两步锻压工艺所得样品再结晶晶粒尺寸更均匀,再结晶体积分数更高,变形织构较弱;断裂延伸率从9%大幅提升至18%,抗拉强度基本保持不变。     

海底浑浊海水环境下柱塞式水泵运动副摩擦机理研究

为优选出适用于海底岩芯取样钻机在浑浊海水环境下使用的柱塞式海水泵运动副材料,以共聚甲醛、改性PEEK与TC4钛合金配副以及2205双相不锈钢与陶瓷配副进行摩擦磨损性能研究,利用立式万能摩擦磨损试验机开展不同海底沉积物含量的海水环境介质下配对材料的摩擦磨损试验。结果表明,TC4-改性PEEK配副在纯海水环境下摩擦因数最小,而海底沉积物的存在使其摩擦因数增大,且有波动。TC4-共聚甲醛配副在纯海水环境下的初始摩擦因数比在含海底沉积物海水环境下的小,海底沉积物的存在会破坏TC4合金表面的氧化膜或污染膜的减磨作用。海底沉积物含量对2205双相不锈钢-陶瓷配副的摩擦因数影响不大。     

相界面对双相钛合金层裂孔洞形核的影响

利用一级轻气炮对TC4双相钛合金进行加载, 获得初期的层裂状态, 在加载中采用多普勒激光干涉测速技术对样品自由面粒子速度进行测试。在软回收经过加载的样品之后, 借助于金相显微镜、X射线断层扫描、纳米压痕等检测手段进行多维分析, 探讨了相界面对孔洞形核位置的影响。结果表明, 孔洞绝大部分都在α相内形核, 而不是如准静态损伤理论预测的形核于α/β相界面。这是由于相界面的反射与透射作用, 当冲击波从高阻抗α相传入到低阻抗β相时, 会在α相内产生拉伸脉冲, 当拉伸脉冲足够大时, 导致在α相内产生孔洞。