超细晶工业纯钛的变形、应变速率敏感性和激活体积

在温度为250~450 ℃、应变速率为1×10-4-1 s-1的条件下，对超细晶工业纯钛进行变速率压缩实验，计算超细晶工业纯钛的应变速率敏感性因子和激活体积，并研究超细晶工业纯钛的变形行为。研究结果表明：超细晶工业纯钛在稳态变形阶段存在流变软化效应，这是受变形过程中大角度晶界和位错活动所控制的。超细晶工业纯钛的应变速率敏感性因子和激活体积在数值上都相对较低，应变速率敏感性随着变形温度的升高而增加，但激活体积独立于变形温度。应变速率敏感性和激活体积的数值表明晶粒内部位错之间的交互作用几乎不发生，而位错与晶界之间的交互作用显著影响超细晶工业纯钛的塑性变形。     

120°模具室温ECAP制备工业纯钛的热压缩变形行为

在Gleeble-1500热模拟机上对室温120°模具等径弯曲通道变形(ECAP)制备的平均晶粒尺寸为200nm的工业纯钛(CP-Ti)进行等温变速压缩实验,研究超细晶(UFG)工业纯钛在变形温度为298～673K和应变速率为10-3～100s-1条件下的流变行为。利用透射电子显微镜分析超细晶工业纯钛在不同变形条件下的组织演化规律。结果表明:流变应力在变形初期随应变的增加而增大,出现峰值后逐渐趋于平稳;峰值应力随温度的升高而减小,随应变速率的增大而增大;随变形温度的升高和应变速率的降低,应变速率敏感性指数m增加,晶粒粗化,亚晶尺寸增大,再结晶晶粒数量逐渐增加;超细晶工业纯钛热压缩变形的主要软化机制随变形温度的升高和应变速率的降低由动态回复逐步转变为动态再结晶。     

工业纯钛ECAP温变形的组织研究

采用两通道夹角为90°,外圆角为20°的模具,实现了工业纯钛BC方式6道次的ECAP温变形,累积等效真应变达到6.3,并观察分析了变形试样的显微组织.结果表明:工业纯钛经BC方式6道次ECAP温变形后,获得了晶粒尺寸为150 rm的具有大角度晶界的超细晶组织;工业纯钛在ECAP温变形过程中,随变形道次的增加,通过位错滑移产生的板条和不稳定的孪晶组织相互作用,大量的位错聚积成位错胞并生成亚晶;在变形温度的影响下,位错相互作用,使亚晶逐渐演变成具有大角度晶界的超细晶组织.     

120°模具室温ECAP制备工业纯钛的压缩变形本构关系

在Gleeble-1500热模拟机上对120°模具室温Bc方式ECAP变形8道次制备的平均晶粒尺寸约为200 nm的工业纯钛进行等温变速压缩实验,研究超细晶工业纯钛在变形温度为298~673 K和应变速率为1×10-4~1×100s-1条件下的流变应力行为。结果表明:变形温度和应变速率均对流变应力具有显著影响,峰值应力随变形温度的升高和应变速率的降低而降低;流变应力在变形初期随应变的增加而增大,出现峰值后逐渐趋于平稳,呈现稳态流变特征。采用双曲正弦模型确定了超细晶工业纯钛的变形激活能Q=104.46 kJ/mol和应力指数n=23,建立了相应的变形本构关系。     

基于修正J-C和BP神经网络模型的超细晶纯钛动态本构行为

为研究超细晶纯钛在高温、高应变速率加载下的复杂力学行为,建立能够准确描述其动态力学行为的模型,对超细晶纯钛在温度为300~450 ℃,应变速率为2000~3000 s-1下进行了动态冲击实验,获得真应力-真应变曲线。结果表明：在所研究的条件下,真应力-真应变曲线均表现为明显的“双应力峰”特征,晶界处的位错湮灭、重新排列及后续绝热剪切带的形成是两次应力减小的主要因素,流动应力均表现出正应变速率敏感性和负温度敏感性。综合考虑应变硬化、应变速率硬化和热软化效应,提出一种修正J-C本构模型和BP人工神经网络模型,并对两种模型进行了准确性分析。结果表明BP人工神经网络模型能够更好地预测超细晶纯钛的动态力学行为,相关系数可达0.97065,平均相对误差仅为4.63%。     

复合加工制备的超细晶工业纯钛室温蠕变行为研究

采用工业纯钛TA1经等径弯曲通道变形(Equal channel angular pressing,ECAP)+冷轧(Cold Rolling,CR)+旋锻(Swaging)的方法制得晶粒尺寸约为120nm的超细晶工业纯钛,通过单轴拉伸蠕变实验、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)等方法,研究室温下超细晶工业纯钛蠕变变形行为及机理。结果表明:在实验应力范围内,超细晶工业纯钛存在明显的室温蠕变现象;随加载应力的升高(640～760 MPa),蠕变量增加,稳态蠕变速率增大(2.8×10~(-7)～1.5×10~(-4)s~(-1));在相同蠕变应力水平(0.8σ_s)下,超细晶工业纯钛稳态蠕变速率(2.8×10~(-7)s~(-1))低于粗晶工业纯钛(8.6×10~(-6)s~(-1)),抗蠕变性能优于粗晶工业纯钛;位错滑移机理是其主要蠕变变形机理,蠕变断裂机制为韧性断裂。     

磁控溅射法制备纳米晶纯钛及其力学性能研究

通过直流磁控溅射法制备纯钛薄膜,使用X射线衍射仪、扫描电镜和透射电镜对其进行分析表征。采用纳米压痕技术分别测试其应变速率在0.005~0.1 s~(-1)时对应的硬度大小。通过计算得到应变速率敏感性指数和激活体积,分析得到纳米晶钛起主导作用的塑性变形机制为位错和晶界的相互作用。     

复合细化超细晶纯锆动态再结晶模型研究（英文）

采用Gleeble-3800热模拟试验机对晶粒尺寸为200～250nm的复合细化超细晶纯锆在变形温度为300～450℃,应变速率为0.001～0.05 s-1的范围内进行单向热压缩实验。结果表明:热加工参数对超细晶纯锆流动应力影响很大。通过实验数据以及显微组织分析可知,在较高的变形温度和较低的应变速率下更容易发生动态再结晶;构建了超细晶纯锆的临界应变模型,得出其温度补偿应变速率因子Z与εc (临界应变),σc (临界应力),εp (峰值应变)和σp (峰值应力)间的关系;建立了超细晶纯锆动态再结晶体积分数模型,可以看出其动态再结晶发生的阶段为应变0.1～0.45。     

INTERACTION OF GRAIN BOUNDARIES WITH DISLOCATIONS AT INITIAL STAGE OF PLASTIC DEFORMATION IN HIGH PURITY Al

对两种晶粒尺寸的99.999％高纯Al试样,经充分退火后,在不同形变温度和不同应变速率下,进行小应变静拉伸试验,结果表明,提高温度和降低应变速率均有助于减小形变硬化。 使用光学显微镜和透射电子显微镜观察了形变后晶界及其邻近区域的状态,确定了温度及应变速率是控制晶界吸收、放出及阻碍位错运动的重要因素。并指出在小应变范性形变中,晶界与位错的交互作用机制是形变条件影响宏观力学性能的重要原因,晶粒尺寸是这一交互作用强度的度量。 本文推导了形变硬化系数A与变形温度、应变速率和晶粒尺寸之间的函数关系式,根据实验数据作了回归计算,求得晶界吸收位错的激活能为0.35eV。     

高纯铝在范性形变初期晶界与位错的交互作用

对两种晶粒尺寸的99.999％高纯Al试样,经充分退火后,在不同形变温度和不同应变速率下,进行小应变静拉伸试验,结果表明,提高温度和降低应变速率均有助于减小形变硬化。使用光学显微镜和透射电子显微镜观察了形变后晶界及其邻近区域的状态,确定了温度及应变速率是控制晶界吸收、放出及阻碍位错运动的重要因素。并指出在小应变范性形变中,晶界与位错的交互作用机制是形变条件影响宏观力学性能的重要原因,晶粒尺寸是这一交互作用强度的度量。本文推导了形变硬化系数A与变形温度、应变速率和晶粒尺寸之间的函数关系式,根据实验数据作了回归计算,求得晶界吸收位错的激活能为0.35eV。     

表面强化对工业纯钛显微组织的影响

工业纯钛经喷丸,滚压强化后,疲劳强度得到不同程度的提高,逐层TEM亚结构对比分析结果表明,工业纯钛疲劳强度的提高和强化层组织中孪晶的形成有关,工业纯钛疲劳前后组织中主要是位错数量的变化,而强化试样疲劳前后组织的结构既有位错,孪晶数量的变化,又有孪晶－晶界,孪晶－孪晶之间的交互作用,喷丸较滚压强化效果显著的部分原因是表层形成了准孪晶栅栏。     

含氧纳米多晶α-Ti拉伸力学性能与变形机制的分子动力学模拟

纳米纯Ti对间隙O原子具有强烈的敏感性,O含量可以很大程度上改变其力学性能和变形机制。采用分子动力学方法分别研究了O含量、变形温度、应变速率对纳米多晶α-Ti拉伸性能及变形机制的影响。结果表明,纳米多晶α-Ti的屈服应力随间隙O含量增加而升高。在O含量小于0.3%(原子分数)时,观察到变形孪晶■,该孪晶通过孪晶面上的“带状位错”协调长大;O含量大于等于0.3%时,被激活的滑移系类型向多元化转变,柱面、基面和锥面滑移系被激活,位错类型转变为以刃型位错为主。在含O纳米多晶α-Ti中,位错机制和晶界机制辅助塑性变形。晶界迁移率随变形温度和应变速率的增加明显增大。新晶粒形成过程伴随着不稳定的Ti_hcp→Ti_bcc→Ti_hcp相变,这种相变由晶粒的相对旋转所致,且生成新晶粒的数量随着应变速率的增大而增多。通过探索间隙O原子强化的本质,为优化纳米尺度纯Ti力学性能,拓展纯Ti应用范围提供理论依据。     

纯钛的热变形行为及显微组织演变

用Gleeble-3500热模拟试验机对退火态纯钛试样,在变形温度298~723 K、应变速率10~(-4)~10~1s~(-1)下进行热压缩试验,研究变形温度和应变速率对其热变形行为及组织演变的影响。结果表明:纯钛的压缩行为与变形温度和应变速率存在相关性;当应变速率一定时,流变应力随变形温度的升高而减小;当变形温度一定时,流变应力随应变速率的增大而增大。显微组织观察结果显示:在低温或高应变速率下变形时,形变组织主要为大尺寸等轴晶和孪晶,随着温度的升高或应变速率的降低,再结晶晶粒逐渐增多,孪晶数量减少,直至消失。     

剧烈塑性变形条件下工业纯钛晶粒细化机理研究

通过对工业纯钛表面机械研磨(SMAT)这种变形方式的结果和微观组织变化的研究,分析了工业纯钛的品粒细化机制,讨论了其他剧烈塑性变形技术无法制备出晶粒尺寸更小的纳米晶的原因.结果表明:对于工业纯钛,SMAT这种具有高的应变速率和多方向载荷的变形方式,有利于形成细小的纳米晶;同时高应变速率增加了位错滑移的临界分切应力.     

工业纯钛TA1热压缩变形行为及本构方程

为了实现工业纯钛TA1的数值模拟,制定合理的自由锻工艺参数,利用Gleeble-1500D热模拟实验机对工业纯钛TA1在变形温度为700、800、900和950℃和应变速率为0.01、0.1、1和5 s-1条件下的流变应力行为进行研究,最大变形程度为真应变0.7。结果表明:工业纯钛TA1在热压缩变形过程中,出现了动态回复与再结晶;流变应力随温度的升高而降低,随变形速率的减小而降低;在高的变形温度与低的应变速率下,工业纯钛TA1容易出现软化;求得了热变形激活能(Q)和双曲正弦形式的Arrhenius本构方程。     

工业纯钛在中低温下的Fields–Backofen和改进型Johnson-Cook方程

通过单轴拉伸试验研究工业纯钛在283K至573K下应变速率范围为0.00005s_-1~0.005s_-1的流动应力行为。基于Fields–Backofen 方程,确定工业纯钛应变速率敏感性及应变强化指数随温度的定量变化。结果表明：工业纯钛的应变速率敏感性在283K-423K不显著,应变强化指数在353K-573K随温度变化而增加。基于温度变化的修正型Fields–Backofen 方程,建立了能够描述工业纯钛塑性流动应力行为的数学模型。同时,考虑应变、应变速率及温度之间的相互作用,对传统的Johnson-Cook 方程进行改进。与传统的Johnson-Cook 方程相比,改进型的Johnson-Cook 方程与实验结果吻合更好,证明改进型Johnson-Cook 方程预测工业纯钛塑性流动应力的精确性。     

ECAP+旋锻变形制备超细晶纯锆的低周疲劳行为

采用等径弯曲通道(ECAP)+旋锻(RS)复合变形技术制备了超细晶工业纯锆,通过轴向对称应变控制方法对超细晶纯锆的低周疲劳性能进行研究,讨论了超细晶纯锆的循环应力-应变响应、软硬化特性、累积滞后规律、疲劳寿命及其疲劳断裂机理。结果表明:超细晶纯锆的循环软硬化特性依赖于外加总应变幅的大小。随应变幅的增加软化速率逐渐增大,且当总应变幅大于1.0%时,材料完全呈现循环软化特性。滞后回线面积随着总应变幅的增大而增大,当应变幅较小时出现"棘齿现象"。回归分析表明超细晶纯锆疲劳寿命满足Coffin-Manson经验关系式。超细晶工业纯锆低周疲劳的疲劳机制为位错运动,其断裂类型为韧性断裂。     

工业纯钛TA1管材热压缩成型本构方程研究

利用Gleeble 3500热模拟试验机研究了工业纯钛TA1管材在660～780℃,应变速率为0.1～10 s~(-1)条件下的热压缩变形行为。利用线性拟合方法确定了材料常数及变形激活能,建立了双曲正弦函数形式本构方程。用Zenner-Hollomon参数对最大应力进行了预测,预测值与试验值能够较好地吻合。试验结果表明:工业纯钛TA1材料的应力-应变曲线表现出显著的加工硬化特征,流变应力随温度的升高而降低,随应变速率的下降而减小。工业纯钛TA1热压缩变形过程中,流变应力受变形温度及变形速率的显著影响;流变应力随温度的升高而降低,随变形速率的下降而减小。     

工业纯钛在中低温下的Fields-Backofen和改进型Johnson-Cook方程（英文）

通过单轴拉伸试验研究工业纯钛在283~573 K下应变速率范围为0.000 05~0.005 s~(-1)的流动应力行为,确定工业纯钛应变速率敏感性及应变强化指数随温度的定量变化。结果表明:工业纯钛的应变速率敏感性在283~423 K不显著,应变强化指数在353~573 K随温度变化而增加。基于温度变化的修正型Fields-Backofen方程,建立了能够描述工业纯钛塑性流动应力行为的数学模型。同时,考虑应变、应变速率及温度之间的相互作用,对传统的Johnson-Cook方程进行改进。与传统的Johnson-Cook方程相比,改进型的Johnson-Cook方程与实验结果吻合更好,证明改进型Johnson-Cook方程预测工业纯钛塑性流动应力的精确性。     

等径通道挤压铝在较宽温度和应变率下的单轴压缩行为(英文)

在较宽温度和应变率范围内,对等径通道挤压(ECAP)方法制备的超细晶铝进行单轴压缩试验,研究温度对流动应力、应变硬化率和应变率敏感性的影响。结果表明:ECAP铝与粗晶粒度铝相比,温度对其流动应力和应变率敏感性的影响更大,超细晶铝的温度敏感性较粗晶粒度铝弱。根据试验结果,估计了不同温度和应变率下的表观激活体积。ECAP铝在准静态应变率下,与林位错相互作用是主导的热激活机制,而粘曳在高应变率下起着更重要的作用。