TC4钛合金激光焊对接接头静力拉伸载荷下变形行为特征研究

静载拉伸试验是最基本的、应用最广的材料力学性能试验。本文试图通过对静力拉伸载荷下TC4母材和激光焊缝接头试样红外热像的记录和温度场变化特征的对比分析,来揭示激光焊缝的存在对于试样受力变形行为的影响规律。研究结果表明：宏观抗拉强度、屈服强度以及断裂时间都基本相同的焊缝和母材试样,其红外结果存在相同点,同时也存在明显的差异性。首先,开始出现物理屈服现象的时间以及对应的应力有差异;焊缝和母材试样在物理屈服发生后,其温度分布及演变规律具有很大的差异性,表明了焊缝的存在对试样的塑性变形规律具有较大的影响。     

TC4-DT钛合金电子束焊接接头的拉伸性能

用电子束焊接50 mm厚TC4-DT钛合金板,对母材、焊缝金属和焊接接头的拉伸性能进行测试,获得了母材和焊缝金属的基本拉伸性能数据,分析了电子束焊接接头显微组织对拉伸性能的影响.结果表明,电子束焊接使TC4-DT钛合金焊缝金属强度增加,塑性和韧性降低,应变硬化能力增强.焊接接头拉伸试验的断裂位置均在离焊缝边缘较远的母材上,母材为整个接头的薄弱环节.母材和焊缝金属拉伸断口均表现出延性韧窝断裂特征.与母材金属相比,焊缝金属拉伸性能的变化与电子束焊接过程中冷却速度快、在焊缝区形成了粗大β柱状晶及针状马氏体有关.     

TC4钛合金锻件锻造过程三维热力耦合有限元模拟

某钛合金零件是应用于航空工业的重要部件,在锻造过程中由于锻件头部变形较大,整体变形不均匀,如果模具尺寸设计不当,很容易引起锻造缺陷的产生.针对以上情况,本文建立了该钛合金锻件锻造过程的三维热力耦合有限元模型,利用刚粘塑性有限元法,对锻件的变形情况进行了数值模拟,得到了变形过程中锻件的充型情况以及温度场和应力场的场量分布,并对锻造缺陷的成因进行了分析.数值模拟与锻造试验吻合较好,为生产工艺的制定提供了有效的参考.     

置氢TC4钛合金室温变形行为研究

通过压缩试验研究了置氢TC4合金的室温变形行为,采用OM、TEM、XRD等分析手段研究了氢处理对TC4钛合金室温组织和变形机制的影响.结果表明,氢作为β相稳定化元素,改善了TC4钛合金淬火的亚稳相结构,促进了斜方α″马氏体和体心β相的生成.氢含量0.45%(质量分数,下同)时,合金中以α″相为主,变形方式为孪晶变形,变形能力提高幅度较小;氢含量超过0.59%时,合金中保留了大量β相,变形方式以滑移为主,变形极限大大提高.     

基于DIC方法的TC4钛合金高温拉伸试验

通过搭建基于DIC方法的高温拉伸试验系统,结合材料力学测试技术,开展了TC4钛合金高温拉伸试验,获得了TC4钛合金在23、100、200、250、300和350℃下的拉伸性能和应力-应变曲线等数据.结果表明:TC4钛合金的抗拉强度、条件屈服强度和弹性模量随着试验温度的升高而不断降低,350℃时其保持率分别为68.9％、...     

TC4钛合金设定m值超塑性拉伸方法

根据TC4钛合金的超塑性变形机理研究成果,结合设定m值超塑性拉伸方法的设计思路,在VISUAL BASIC环境下编写出了设定m值超塑性拉伸控制程序。在完成对该程序充分调试的基础上,对TC4钛合金进行设定m值超塑性高温拉伸试验,在TC4钛合金最佳变形温度850℃的条件下,将m值分别设定为0.3、0.35、0.4、0.45进行高温拉伸试验,获得TC4钛合金延伸率δ分别为704%、762%、819%、858%,再将应变速率敏感指数m值与延伸率δ对应后生成关系曲线并进行回归分析,最终得到TC4钛合金超塑性应变速率敏感指数m值与伸长率δ的关系式。     

TC4钛合金降温压缩变形行为

研究了TC4钛合金不同应变速率和降温速率时降温压缩过程的流变行为,发现降温压缩瞬时温度下的材料流动应力低于相同温度下的恒温压缩流动应力。经过XRD检测方法分析不同热和变形历史条件下试样的相含量得出,虽然降温和变形过程都促进了β相向α相的转变,但由于降温压缩试样的初始温度较高,变形后其β相的含量高于相同温度的恒温压缩试样,导致降温压缩流动应力较低。通过引入降温影响因子改进了混合物法则,准确地表征了降温过程流动应力与相含量之间关系。     

TC4钛合金激光焊接接头力学行为的原位研究

采用扫描电镜(SEM)原位拉伸法观察TC4钛合金激光焊接接头各微区孔洞形核与成长、损伤与断裂行为,研究接头微观组织对其损伤和断裂行为的影响。结果表明:焊缝区裂纹形核于晶内孪晶、滑移线与晶界交汇处,主裂纹形成直至最终断裂;热影响区多裂纹起裂,单一裂纹扩展至最终断裂;母材区孔洞优先形核于相界面及晶界区域,缺口前端孔洞群相互贯穿直至最终断裂。当应变超过0.023时,母材区及热影响区靠近母材一侧从协调变形向以界面微孔洞的行核与聚合为主转化;焊缝区粗大晶粒内部网篮状马氏体存在且晶界面积较小,导致变形机制未发生改变,促使其力学性能低于焊缝的。     

TC4钛合金L型材热拉伸变形本构方程研究

钛合金型材作为力学性能良好的轻质材料,被广泛应用于飞行器框梁等骨架零件中,其成形质量直接关系到飞机的装配精度、整机气动外形和使用寿命。为探究TC4钛合金L型材的热拉伸变形行为及本构关系,在不同的温度(600~800℃)和初始应变速率(0.00033~0.0083 s~(-1))下进行了多组单轴热拉伸试验,根据应力-应变曲线特点分析了型材热拉伸变形行为,并通过采用回归处理和参数优化的方法建立其复合型唯象本构方程,该模型预测应力和实测应力的最小相关性系数R和最大平均相对误差绝对值AARE分别为0.9641和7.5%,即建立的本构模型能够高精度表征TC4钛合金L型材的热拉伸变形行为,可作为其热变形有限元模拟的准确材料模型。     

TC4钛合金电子束焊接接头高温性能与组织

通过高温拉伸试验、高温持久拉伸试验以及金相分析对TC4钛合金电子束焊接接头的显微组织和高温性能进行了研究.结果表明,用电子束焊接TC4钛合金可获得高温性能良好的焊接接头,其焊接接头的高温抗拉强度为630 MPa,与母材相当.高温持久拉伸时焊接接头在400 ℃下100 h的持久强度大于600 MPa,不低于TC4钛合金母材同等条件下的持久强度.TC4钛合金母材室温下的组织为典型的轧制状态组织,即拉长了的针状α β组织,焊缝组织是由原始β相转变而成的α'相,即针状马氏体.经高温拉伸和高温持久拉伸后焊缝晶粒均明显长大,但其晶粒的长大程度与高温持续时间无关.     

咬边缺陷对TC4钛合金激光焊接头静力拉伸形变特征的影响

通过对静力拉伸常规试验时进行同步的红外热像测量,对存在咬边缺陷的TC4钛合金焊缝试样和经激光双面修饰焊试样的拉伸过程和结果进行研究.结果表明,屈服现象都首先发生在焊缝区域,但是咬边程度对焊缝试样开始产生屈服现象的应力和应变具有影响,对塑性变形行为影响更大.在咬边小于一定值时,大塑性变形会发生在母材区域,其塑性指标与母材相当;咬边较大时,塑性变形集中在焊缝及其附近区域且快速断裂.而经双面修饰焊的试样,初始屈服现象不再集中在焊缝区域,而是同时发生在焊缝和母材处,塑性变形主要发生在母材区域,与母材相似.     

TC4钛合金热变形行为研究及本构模型

利用Gleeble-3500热模拟试验机进行等温恒应变速率热压缩实验,研究了TC4钛合金在温度800~950℃、应变速率0.001~10s-1条件下的流动软化行为。研究发现随变形温度降低和应变速率增大TC4钛合金的流动软化程度增大,且800~850℃、应变速率1~10s-1变形时的流动软化主要是塑形流动失稳引起的,温度900~950℃、应变速率0.001~0.1s-1条件变形时,流动软化主要是片状α相的等轴化引起的。引入应变对材料常数α、n、A和Q的影响,建立了考虑应变的TC4钛合金Arrhenius本构方程,建立的本构模型精度较好,在800℃、850℃和10s-1条件以及在900℃、950℃和0.1s-1条件下,模型平均绝对误差分别为4.2%和4.3%。TC4钛合金的平均变形激活能为403kJ/mol,平均应变速率敏感指数为0.26。     

形变影响TC4钛合金组织演变的温度依赖特性研究

本文采用等应变速率高温拉伸变形试验,研究了TC4钛合金在不同形变温度下微观组织和性能的演变行为,着重探讨了形变对钛合金组织演化、相变的影响作用及其随温度的变化规律。结果表明,α+β两相区变形,随形变温度升高,峰值应力及所需应变降低。形变对微观组织演化的影响作用随形变温度变化而改变：两相区中低温段（900℃以下）,形变促进初生α相再结晶,细化初生α相尺寸;两相区高温段（900℃以上）,形变促进次生α相球化,其作用随温度升高先增强后减弱。形变影响β→α相变进程,提高次生α相形核率,尤以两相区中低温段变形更为显著,从而使得片层状次生α相数量增加、间距明显细化。随形变温度升高,组织中α相总量先下降后上升,导致硬度先降低后升高,耐蚀性先升高后下降。其中900℃变形时,TC4钛合金α相总量最少（约57%）,硬度略有降低而耐蚀性达到最优。     

TC4钛合金扩散连接区热变形特性行为研究

以TC4钛合金扩散连接区为研究对象,在变形温度920,950,980,1010 ℃及应变速率0.01,0.1,1,10 s-1的条件下进行热变形试验,研究了变形温度和应变速率对TC4钛合金扩散连接区流变应力和微观组织的影响规律。研究结果表明：TC4钛合金扩散连接区在高温下具有明显的动态软化特征,流变应力随变形温度的升高而降低,随变形速率的提高而增大;高温变形后扩散连接界面消失,随变形温度的增加,等轴α相的体积分数减少,同时伴有短棒状和板条状的次生α相出现,且次生α相的体积分数随应变速率增加逐渐降低;当变形温度达到1010 ℃时,出现马氏体α′相;以双曲正弦形式修正的Arrhenius方程为基础,建立了TC4钛合金扩散连接区双曲正弦本构方程以及热加工图,确定TC4钛合金扩散连接区的最佳变形温度为920~950 ℃,变形速率为0.01~0.1 s-1。     

TC4钛合金室温滞后回弹研究

为了探明TC4钛合金室温下的滞后回弹效应,采用万能试验机进行了不同预应变和不同加载速率的滞后回弹实验;为了揭示滞后回弹变化规律的微观机理,采用OM和TEM对微观组织进行表征。结果表明:TC4钛合金经过室温塑性变形卸载后尺寸继续变化,具有明显的滞后回弹效应。随着预应变以及加载应变率的提高,滞后回弹应变(TDSS)的绝对值均呈现指数增长。组织分析表明,"流线型"光镜组织、位错塞积以及孪晶组织的演变与滞后回弹变化规律正相关。     

钛合金(TC4)电子束焊接模拟

通过工艺试验,获得了9 mm厚TC4电子束焊接最佳工艺参数;利用有限元软件ABAQUS建立模型.结果表明,模拟焊缝形貌和表面残余应力结果与实测结果具有非常高的一致性,说明了穿透性强的圆锥热源和辐射性强的双椭球热源组成的复合热源能够有效地反应出电子束焊接特点,证明了有限元模型的正确性;进而对模拟结果进一步分析,得到焊缝周围存在较高残余应力,尤其是在焊件内部存在危险的三维拉伸应力状态.     

TC4钛合金中空叶片扩散连接-超塑成形技术

采用扩散连接-超塑成形技术成形中空叶片在发动机减重方面具有重要的意义,本文进行了中空叶片的扩散连接-超塑成形实验,成形出质量较好的中空叶片,确定了最优的实验参数。分析了叶片芯板的壁厚分布以及上下面板与芯板的连接情况,并线扫描分析了扩散连接的接头。结果表明,随着扩散连接保温时间的延长,扩散连接接头的效果较好;通过多次试验得出,在成形温度T=920℃、内部气压P=2 MPa、成形时间t=2 h的条件下,进行超塑成形,成形所得的中空叶片表面质量良好,扩散连接接头较好,芯板的厚度变化较均匀。     

TC4-DT钛合金热机械处理后的组织特征和力学性能

研究热机械处理（两相区变形加普通退火、双重退火、固溶时效以及三重退火）对 TC4-DT 钛合金组织和力学性能的影响。结果表明,热机械处理对显微组织参数影响显著,随着退火和时效温度的升高及冷却速度的降低,初生α相的体积分数和原始β晶粒的尺寸降低,而晶界α和次生α相的宽度却升高。由于固溶时效处理获得了大量的β转变组织和细小的晶界α相和次生α相,合金强度最高,但伸长率不及其它条件的,其断裂强度、屈服强度、伸长率和断面收缩率分别为1100 MPa、1030 MPa、13%和53%,双重退火获得了良好的强度和塑性匹配,合金力学性能分别为940 MPa、887.5 MPa、15%和51%。组织参数和性能的关系表明,随着β转变组织的增多和原始β晶粒尺寸的增大,材料的强度和断面收缩率升高,而晶界α相和二次α相的宽度对力学性能的影响却呈相反趋势。此外,晶界α相含量的减少和原始β晶粒尺寸的降低有助于塑性的提高。     

TC4钛合金低温固体稀土-硼共渗

研究了TC4钛合金在950℃低温(β转变温度以下)下进行固体稀土-硼共渗的渗层形貌、物相组成、组织性能及基体相变。结果表明,低温稀土-硼共渗,可使TC4钛合金表面获得实用的渗硼硬化层,由TiB2和TiB双相化合物组成。同1050℃高温稀土-硼共渗相比,低温渗硼层致密均匀无孔洞,而且硬度梯度和脆性得到进一步改善。低温渗硼后TC4基体为等轴组织,性能良好,能有效地防止高温(β转变温度以上)时β相形成粗晶。低温渗硼有效地改善渗层的性能,减小工件畸变。     

TC4钛合金惯性摩擦焊接头温度场分析

通过对惯性摩擦焊过程摩擦机理的分析 ,讨论了TC4钛合金惯性摩擦焊工艺参数与焊接过程界面摩擦扭矩及能量转换的关系 ,采用热电偶对TC4钛合金惯性摩擦焊焊接过程接头温度分布进行了测试 ,焊接接头沿径向温度梯度很大 ,中心温度接近80 0℃ ,边缘达 136 0℃。通过显微组织分析验证了测量结果 ,焊缝中心为细小的等轴组织 ,沿径向晶粒长大飞边为针片状组织。