典型钼合金在简谐振动中的能量消耗与失效机理EI北大核心CSCD

本文以纯Mo、Mo-Re和ODS-Mo三种典型钼合金材料为研究对象,利用动态热机械分析仪在25~350℃对不同合金进行频率为200 Hz的简谐振动实验,分析了高温简谐振动过程中典型钼合金的模量变化及断裂行为,揭示了典型钼合金在简谐振动过程中的能量消耗机制与失效机理。结果表明:晶粒尺寸、第二相颗粒和位错运动是影响典型钼合金减振性能的主要因素;细小的Mo-Re合金晶粒拥有更多的晶间摩擦项,使得Mo-Re合金在高温下的减振性能优于其他两种钼合金;晶界处的第二相颗粒会降低ODS-Mo合金的晶界结合力,因此简谐振动引发的微裂纹优先在此处萌生;螺型位错交叉滑移和多晶粒协调微转动是纯Mo和Mo-Re合金简谐振动断裂失效的主要机制,而第二相颗粒钉扎位错和晶界强度的降低是ODS-Mo合金简谐振动断裂失效的机制;细晶强化和弥散强化能通过增加典型钼合金简谐振动回弹能力,有效提升合金的减振性能。     

递归法研究钛合金应力腐蚀机理

利用递归法(Recursion)计算了α-Ti中刃位错及裂纹区的电子结构(Fermi能级、结构能、环境敏感镶嵌能等),计算并分析了合金元素Mo,V对α-Ti与β-Ti相原子结合能的影响.结果表明:氢原子在位错处的环境敏感镶嵌能较低,易于在位错处聚积,形成氢原子气团.裂纹尖端Fermi能级高于裂纹其他区域,电子从裂纹尖端流向裂纹其他区域造成电位差,在电解质作用下裂纹尖端阳极分解腐蚀.拉应力与裂纹处的氢气压使裂纹解理或沿晶延伸,促进应力腐蚀的发展.合金元素Mo,V有利于α-Ti合金中β相的形成,阻止裂纹在α相中扩展,提高合金应力腐蚀抗力.     

Ti-55531合金变形及断裂行为的原位SEM分析

采用原位SEM拉伸方法对比分析了Ti-55531合金片层和双态组织静载下的变形及断裂行为。结果表明,静载下α相的特征参数对该合金的形变、裂纹萌生及扩展有强烈影响。片层组织中粗大次生αs片较软,αs片最先变形促进位错滑移,位错运动至次生αs和残留βr的界面处堆积,塑性变形导致局部应力集中促进裂纹萌生,并沿αs/βr相界面扩展。双态组织中初生等轴αp是相对最软相且尺寸较大,位错滑移自由程较大,易启动多系滑移,αp内不同位向的滑移线交割促进应力集中,部分位错在αP/βtrans界面处堆积产生应力集中,两者导致微裂纹萌生于αp内及αp/βtrans界面,并沿αp/βtrans界面和αp聚集处扩展。     

TC11钛合金在不同温度下的疲劳断裂分析

借助光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等研究了TC11钛合金不同温度下高周疲劳断口及断口附近的微观组织形貌。结果表明:TC11钛合金不同温度下的疲劳断口均由疲劳源区、裂纹扩展区和瞬断区3部分组成,裂纹扩展区存在大量的二次裂纹,随着温度的增加,二次裂纹数量逐渐增多的同时其长度与宽度也明显增加,且在二次裂纹附近出现微裂纹,疲劳辉纹的宽度从0.2μm(-30℃)增加到1μm(150℃),相应的疲劳极限也随着实验温度的升高而降低,该实验条件下疲劳极限值从438 MPa(-30℃)降至388 MPa(150℃),温度越高疲劳寿命越短。不同温度下随着循环周次的增加,钛合金内部出现位错或形变孪晶等亚结构来协调变形,低温下变形组织以位错缠结和形变孪晶混合型组织为主,高温下则以位错缠结为主,同时β片层发生明显的断裂现象,在α/β相界面的位错堆积导致的应力集中是疲劳裂纹源形成的主要原因。     

钛合金高温形变强韧化机理

详细研究并讨论了钛合金高温形变强韧化机理。结果表明,三态组织中少量等轴α相与基体β相没有固定的位向关系,位错容易找到可开动的滑移面,对变形起着协调作用,因而合金具有较高的塑性;大量网篮交织的条状α,不仅增加了相界面,提高了合金的强度与抗蠕变能力,而且不断改变裂纹扩展方向,导致裂纹路径曲线、分枝多,断裂韧性好。新的变形理论适用于α,近α,（α＋β）和近β型钛合金。     

TiAl-Nb合金在近750℃温度区间的蠕变行为

通过蠕变性能测试和组织形貌观察,研究了铸态TiAl-Nb合金在近750℃施加不同应力条件下的蠕变损伤行为。结果表明,合金的组织由不同取向的层片状γ/α_2两相组成,不同取向层片状组织的晶界为单一γ相。铸态合金在(750℃,300 MPa)蠕变期间的变形机制是位错和孪晶,且位错在层片状γ/α_2两相及孪晶中滑移。随蠕变进行,激活的位错数量增加,当蠕变位错与位错网相遇,可改变位错的运动方向,促进发生位错攀移,减缓应力集中。在蠕变后期,大量位错在近相界区域塞积,引起应力集中,可致使裂纹沿垂直于应力轴的层片状γ/α_2两相界面萌生与扩展,当不同横断面的裂纹通过撕裂棱相互连接,直至发生断裂,是合金在近750℃蠕变期间的损伤与断裂机制。     

Ti60Cu14Ni12Sn4Nb10合金等温退火过程中的相变研究

通过水冷铜模吸铸法制备出了Ti60 Cu14 Ni12Sn4 Nb10复相合金.对合金在不同温度下等温退火过程中的相转变及显微结构演化进行了研究.结果表明,该合金的显微组织主要由β-Ti枝晶相、纳米晶化相和少量非晶相组成.在450℃退火时,合金中有ω-Ti和面心立方结构的Ti形成;而在550℃退火时ω-Ti消失,同时由于非晶相发生了晶化,基体中有TiNi相析出,该晶化相在高于715℃时,转变为稳定的Ti2Ni相;当温度达到795℃时,合金中的β-Ti枝晶相转化为α-Ti.     

显微组织对TC4-DT钛合金疲劳裂纹扩展速率的影响

对TC4-DT钛合金进行不同热处理,获得不同的显微组织,研究不同显微组织的TC4-DT钛合金疲劳裂纹扩展速率。结果表明:两相区处理,较高的初生α相含量提供了较高的裂纹扩展阻力,不同的β晶粒尺寸使不同裂纹扩展阶段的扩展机理不同;在近门槛区,疲劳裂纹扩展速率主要受晶粒尺寸的影响;随着裂纹扩展,在裂纹扩展的低速阶段,β晶粒内片层α对裂纹扩展起主要作用;在中速扩展区,裂纹以条带机制扩展,并且粗糙的断口具有较低的裂纹扩展速率。     

脉冲电磁作用下Ti-10Al-5.5Mo-2Zr-0.25Si合金的微观组织演变分析

分析了脉冲磁场、脉冲电场、脉冲电磁处理对Ti-Al-Mo-Zr-Si合金组织、位错和硬度的影响。结果表明:采用脉冲电磁处理方法可使合金中的β相转变成α相。合金经脉冲电磁处理后,合金中的位错密度呈现总体降低的变化趋势,同时缠结的位错数量也明显减少。在钛合金的基体中存在众多α相。对材料进行电磁场作用后其基体结构并没有出现显著变化,α-Ti的轴比都出现了明显变大的现象;并且采用脉冲电磁方法处理后的α-Ti轴比达到了最大值。合金经电磁场作用后基体中的初生α相略微上升,导致材料的塑性降低。     

显微组织类型对TC4钛合金丝材性能的影响

α+β两相区轧制的TC4钛合金丝材经不同工艺热处理后,获得等轴组织、双态组织和片层组织,研究了微观组织特征及其对合金拉伸性能和疲劳性能的影响。结果表明：等轴组织α晶粒最为细小且具有较高的位错密度,表现出最高强度;双态组织α相较等轴组织显著长大,位错密度明显降低,具有最好的工艺塑性;片层组织原始β晶粒粗大,塑性最低。3种组织中片层组织疲劳性能最好,当裂纹长度<250μm时,不同显微组织对应的裂纹扩展速率差异较大,片层组织的扩展速率最低,等轴组织最高;当裂纹长度>250μm时,3种组织的裂纹扩展速率无显著差异。综合考虑TC4钛合金丝材的力学性能和工艺塑性,应选择双态组织作为产品的最终组织状态。     

热压烧结温度对固相再生TC4钛合金微观组织及硬度影响

通过热压烧结法对TC4钛合金废屑进行固相再生,并对固相再生TC4钛合金的微观组织和硬度进行了分析测试,研究了热压烧结温度对固相再生TC4钛合金微观组织和硬度的影响。结果表明,在给定的热压烧结工艺条件下,TC4废屑结合良好,且没有产生新的亚稳相,再生坯料的相组成与母材一致,仍为典型的α+β组织。烧结温度升高,会使再生合金微观组织中的β-Ti晶粒长大,晶界模糊并导致部分针状的α-Ti以团束的形式析出,显微组织中的β-Ti相含量提高,针状的α-Ti组织则明显减少,烧结温度为1 200℃时,合金组织由网篮组织转变为魏氏组织。再生合金的显微硬度值也随着烧结温度的升高而提高。     

新型镍基粉末高温合金FGH98的高温疲劳裂纹扩展行为研究

测定了新型粉末高温合金FGH98在650℃空气环境中的疲劳裂纹扩展速率,与前两代粉末高温合金FGH95和FGH96的裂纹扩展速率进行了比较分析,研究了合金显微结构以及保载时间对FGH98合金裂纹扩展速率的影响.结果表明,FGH98合金的高温疲劳裂纹扩展抗力较前两代粉末高温合金有了明显提高.控制固溶后以适当的方式冷却,使得二次和三次γ’相均匀匹配析出,可以获得具有良好疲劳裂纹扩展抗力的合金组织.粗晶组织有利于降低FGH98合金的疲劳裂纹扩展速率,尤其是在近门隘区.FGH98合金的高温疲劳裂纹扩展速率随保载时间的增加而增加,其断裂模式相应地从穿晶-沿晶混合断裂变为沿晶断裂.     

不同组织TA15钛合金等温拉伸微裂纹扩展规律的有限元建模研究

钛合金高温变形过程往往伴随微裂纹的产生与扩展,且其与微观组织形态密切相关,显著影响了钛合金的成形质量和成形极限。为此,利用金相照片建立了基于TA15钛合金真实组织的二维多晶体微观有限元模型,采用微裂纹扩展时间,定量研究了不同组织形态的TA15钛合金等温拉伸过程中的沿晶微裂纹形成与扩展规律。结果表明:微裂纹优先形成于三角或四角晶界处,更容易沿α-β相界扩展;等轴组织随着α相体积分数升高,微裂纹更易产生和扩展;网篮组织与魏氏组织中微裂纹易于沿与加载轴垂直取向的片层α相界面扩展,魏氏组织晶界α相为微裂纹扩展提供了路径;三态组织中微裂纹易于沿片层α相界面扩展,但是等轴α相与片层α相的交织使界面形貌复杂,阻碍微裂纹扩展。相同加载条件下,微裂纹扩展的难易顺序为:三态组织、网篮组织、魏氏组织、等轴组织。     

TA15ELI显微组织及损伤容限性能研究

采用一火β区热轧和一火两相区上部温度热轧获得了片状组织的TA15ELI钛合金厚板，通过两相区900℃、930℃、950℃和β区980℃退火热处理进一步调整合金显微组织和损伤容限性能，测定了不同热处理状态下合金的显微组织特征参数和室温拉伸性能、断裂韧性、疲劳裂纹扩展速率，分析了显微组织对损伤容限性能的影响关系。研究发现：两相区退火，随着退火温度的升高，TA15ELI钛合金组织中初始β晶粒尺寸和α集束尺寸基本不变，α片平均厚度有所增加，合金强度和塑性均有所下降，da／dN降低，KIC提高；合金在β区980℃退火较两相区退火具有更好的损伤容限性能和综合性能。     

锻造工艺对TC4-DT和TC21损伤容限型钛合金疲劳裂纹扩展速率的影响

研究了不同锻造工艺（近β锻造、准β锻造、两相区锻造）对TC4-DT和TC21损伤容限型钛合金疲劳裂纹扩展速率的影响,对比分析了不同锻造工艺的微观组织和疲劳裂纹扩展路径的关系。研究结果表明,与两相区锻造和近β锻造相比,TC4-DT和TC21钛合金经准β锻造后的疲劳裂纹扩展速率最低。准β锻造的锻件疲劳裂纹扩展路径曲折程度大,断口表面粗糙度大,有效地降低了疲劳裂纹扩展速率。     

Ti-47Al-5Nb合金高温循环变形后的组织和断裂特征

为研究新一代高Nb含量γ-TiAl合金在低周疲劳过程中双态组织稳定性对应力-应变响应和疲劳断裂过程的影响，测试了Ti-47Al-5Nb合金在总应变控制条件下550℃～750℃温度范围的低周疲劳性能，并观察了循环变形后的显微组织，缺陷特征和断口形貌。结果表明：在550℃变形时所产生的循环硬化缘于不均匀的位错滑移，在滑移带内高密度位错之间产生强烈的相互作用降低了位错的可移动性，滑移带产生的应力集中使裂纹易于沿α2/γ层界面扩展。在650℃和750℃变形时的循环软化则一方面归因于部分α2片层溶解和γ相再结晶，另一方面大量孪晶的激活和位错通过交滑移和攀移克服短程障碍的作用使合金的变形能力提高，同时增加了疲劳过程中的塑性应变累积。疲劳断口特点为等轴γ晶和α2/γ层的穿晶断裂。     

Mg-Sn合金的阻尼机理研究

研究了不同的Sn含量（Mg-（1-10）wt%）的Mg-Sn合金在不同状态下（铸态、固溶态、固溶+时效态）的阻尼性能。结果表明随着Sn含量的增加, Mg-Sn合金阻尼性能中与应变相关的阻尼值（阻尼因子Q-1）会相应的增加。Mg-Sn合金阻尼机理为位错阻尼和相界阻尼的共同作用,相界阻尼来自于合金中层片状共晶组织（Mg2Sn与α-Mg）相界面摩擦阻尼。高应变振幅下,Mg-（1-5 wt%）Sn的Q-1因子变化规律为：T4＞F＞T6,位错机制占主导地位;Mg-（7-10 wt%）的阻尼因子Q-1变化规律为：F＞T4＞T6,相界面摩擦阻尼占主导地位。     

损伤容限型TC4-DT钛合金近门槛区疲劳裂纹扩展行为研究

研究了双态组织、片层组织TC4-DT钛合金在近门槛区的疲劳裂纹扩展行为,通过扫描电镜观察裂纹扩展路径及断口微观特征,研究了等轴初生α相含量对TC4-DT钛合金在近门槛区疲劳裂纹扩展速率的影响,讨论了TC4-DT钛合金的疲劳裂纹扩展行为和断裂方式。结果表明:随着等轴初生α相含量的降低,TC4-DT钛合金在近门槛值区的da/dN-△K曲线逐渐向下偏折,裂纹扩展速率明显降低,在Paris区出现转折点现象且转折点对应的△Kt值逐渐增大;片层组织在近门槛区的裂纹扩展路径曲折,疲劳裂纹扩展速率显著降低,表现出更好的损伤容限性能。     

热处理对TC4-DT钛合金棒材组织和性能的影响

研究了热处理对TC4-DT合金φ300 mm棒材显微组织、拉伸性能、断裂韧性和疲劳裂纹扩展速率的影响.结果表明:经800℃×2 hAC简单退火、α+β相区固溶+时效、β相区固溶+时效处理后的TC4-DT的显微组织分别为等轴组织、双态组织和片状组织.等轴组织具有较好的拉伸性能、低的断裂韧性和高的疲劳裂纹扩展速率:双态组织与等轴组织相比较,具有较好的拉伸性能,较高的断裂韧性和较低的疲劳裂纹扩展速率:片状组织的拉伸强度低于双态组织和等轴组织,塑性最低,断裂韧性和疲劳裂纹扩展速率与双态组织的基本相同.总体来说,TC4-DT合金经α+β相区固溶+时效、β相区固溶+时效处理后可获得R_m≥3825 Mpa,R_(P0.2)≥750 Mpa,A_5≥8%,K℃≥90 Mpa ,疲劳裂纹扩展速率小于8×10~(-6)～9×10~(-6) mm/cycle的综合性能.     

钛合金基础性问题研究

分析了国内近四年钛合金的基础性研究,诸如600℃高温钛合金的蠕变机理、高Nb-TiAl基合金的变形机制、颗粒增强钛基复合材料的复合机制及断裂行为、阻燃钛合金的阻燃机理、氧化机理及变形过程的计算机模拟、SiC长纤维增强的TC4和Ti40基复合材料界面、非理想状态下近α-Ti合金的超塑性机理、钛合金的近β锻造理论、α-Ti合金的低温变形机理及低温循环变形行为、透声钛合金的透声行为等,提出了钛合金的发展趋势.