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％、...     

固溶温度对TC4钛合金微观组织和动态拉伸力学性能的影响

为揭示固溶温度（850、920、960℃）对TC4钛合金微观组织和动态拉伸力学性能的影响,采用XRD、SEM和EBSD方法对材料晶体结构、微观组织和晶粒取向等特征进行分析,选取分离式霍普金森拉杆（SHTB）实验装置进行了材料的动态拉伸力学性能测试,构建了Johnson-Cook(J-C)本构模型,开展了动态拉伸断口形貌分析。结果表明：随固溶温度的升高,材料中α/α′含量升高,初生α相含量降低,针状α′含量升高,晶粒尺寸减小且择优取向强度增大;TC4钛合金具有明显的应变率强化效应,随固溶温度的升高,材料屈服强度和维氏硬度逐渐增大,断裂延伸率降低;动态拉伸断口整体表现为韧性断裂,随固溶温度升高,材料塑性降低,在固溶温度960℃时,试样韧性断裂特征不显著。本研究结果可为TC4钛合金力学性能调控及抗冲击设计提供方法和数据支撑。     

TC4钛合金高温变形行为及其流动应力模型

研究变形工艺参数对TC4钛合金高温变形行为的影响.热模拟压缩实验时选取的变形温度为1 093～1 303K:应变速率为0.001～10.0/s;变形程度为60%.结果表明:TC4钛合金在变形开始阶段,流动应力随应变的增加迅速增加,当应变超过一定值后,流动应力开始下降并逐渐趋于稳定,出现稳态流动特征;变形温度升高和应变速率减小使TCA钛合金高温变形时的稳态应力和峰值应力显著降低;应变速率和变形温度会影响TC4钛合金进入稳态变形时变形程度的大小.利用多元回归分析建立TC4钛合金在高温变形时的流动应力模型,模型的计算值与实验数据的平均相对误差为6.25%,该模型较好地描述TC4钛合金在高温变形过程中的流动行为.     

TC4钛合金板材超塑性性能研究

采用最大m值法、恒应变速率法在850~910℃下测试TC4钛合金板材的超塑性性能,分析了工艺参数对TC4钛合金板材的流动应力、应变速率敏感性指数和微观组织演变的影响。结果表明:该合金的最佳超塑性变形温度在850℃左右,在该温度下的基于最大m值法、恒应变速率法拉伸的伸长率均达到了最大且分别为1031%和631%,而在850℃下最大m值法拉伸能获得材料的最佳超塑性;当变形温度为850~910℃时,最佳变形速率0.00031~0.001 s~(-1);随变形温度的升高、应变速率的降低,该合金的流动应力降低,最大为70 MPa;该合金在850℃、应变ε=0.1条件下的应变速率敏感性指数m值最大且为0.58,并随着变形温度、应变量的增加而降低:超塑性变形中其内部发生了明显的动态再结晶,温度越高,晶粒越粗大。     

一种新型的TC4钛合金的热变形抗力模型

用Gleeble-3500型热模拟试验机对TC4钛合金在变形温度750～950℃、应变速率0.1～50 s-1、最大变形量为50％条件下进行高温变形试验,进而分析了变形参数对变形抗力的影响.结果表明,高温压缩时,TC4钛合金的真应力-真应变曲线呈现出明显的动态再结晶特征;变形抗力受变形温度和应变速率的影响显著,受应变的影响较小,随变形温度的升高、应变速率的减小,变形抗力显著降低.最后提出了一种新型TC4钛合金高温变形的变形抗力模型,该模型拟合精度较好,计算值和实验数据的平均相对误差为5.25％,可以为热轧提供可靠的计算数据.     

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。     

置氢TC17钛合金组织演变规律及高温变形行为

为了改善了TC17钛合金热加工性能,对TC17钛合金进行了置氢处理,通过金相观察和X射线衍射分析,研究了置氢后TC17钛合金的微观组织及相转变规律,在变形温度800～860℃、应变速率0.001～0.1 s^-1的条件下,对置氢TC17钛合金进行了高温压缩试验,研究了置氢TC17钛合金的热变形行为,并对其热变形激活能进行了计算分析。结果显示,TC17钛合金原始组织为典型的网篮组织,由α+β相组成,随着氢含量的增加,针状α相数量减少,β相增多,当氢含量超过0.40%(质量分数)时,钛合金中依次出现了γ氢化物和δ氢化物。置氢TC17钛合金不仅是温度敏感型材料、速率敏感型材料,也是氢含量敏感型材料,在氢含量0.2%时,峰值应力达到最小值,与原始合金相比,变形温度可降低40℃,应变速率可提高1个数量级。同时,氢含量0.2%的TC17钛合金变形激活能也达到最小值162 kJ/mol,其热变形软化机制为动态回复。     

航空TC4钛合金高温力学性能

在温度200~1000℃、应变速率0.1~4 mm/min条件下对航空TC4钛合金进行高温拉伸试验,研究了拉伸温度和应变速率对钛合金力学性能的影响。采用金相显微镜和SEM进行微观组织及形貌观察、使用显微硬度计进行硬度测试,并用XRD进行物相分析。结果表明:随拉伸温度的升高,该合金的屈服强度和抗拉强度线性降低;伸长率先升高后降低;高温断口呈现蛇形滑移微观形貌,白色絮状物为钛的氧化物;硬度呈折线性变化趋势。随拉伸速率的增大,屈服强度和抗拉强度增大,伸长率先增大后减小。     

TC4钛合金激光焊接接头超塑性变形力学行为研究

采用高温拉伸试验研究TC4钛合金激光焊接接头超塑性变形力学行为,引进变形不均匀系数K表征激光焊板超塑性变形过程中焊接接头与母材的变形不均匀性。结果表明:TC4钛合金激光焊接接头可承受高温超塑变形而不破坏,当初始应变速率低于10-2s-1时流变应力小于60MPa;接头的变形率及试样的变形不均匀系数随变形温度及应变速率的升高均先升高再降低。在900℃、10-2s-1时,接头超塑性变形率和试样的变形不均匀系数K值同时达到最高值46%和0.18,说明焊接接头具有较高的超塑变形能力,应变速率敏感性指数m值大于0.5。     

高应变率下TC4-DT钛合金的动态力学性能及塑性本构关系

为研究TC4-DT钛合金的动态力学性能及其本构关系,在1000~8000 s-1应变率范围内,利用分离式Hopkinson压杆试验装置对该材料进行动态压缩试验,得到高应变率下的真实应力-应变曲线。结果表明:高应变率时TC4-DT钛合金材料存在应变率增强、增塑以及应变强化效应,其流变应力表现出较强的应变率敏感性。通过微观组织观察,发现高应变率变形时出现绝热剪切带是材料流变应力急剧减小的主要原因。改进Johnson-Cook本构模型中的温度项,利用试验数据对TC4-DT钛合金在高应变率下的动态塑性本构关系进行拟合,得到室温下该材料的动态塑性本构方程,模型计算结果和试验结果证明该模型可以更好地预测TC4-DT钛合金高应变率下的塑性流变应力。     

时效处理对TC4钛合金微观组织和力学性能的影响

采用固溶后的TC4钛合金分别在450、500、550、600和650℃条件下进行时效处理,并通过金相观察、力学性能检测和断口形貌观察研究了时效处理对TC4钛合金的微观组织和力学性能的影响。结果表明,随着时效温度的升高,TC4钛合金的强度先升后降,在550℃达到最大值。金相观察发现,550℃时所得组织较为细小且析出相数量多,因此有较好的弥散强化效果。断口的宏观形态呈暗灰色,且观察不到放射区;同时在断口的微观形貌中可观察到清晰的韧窝,可以判断出其断裂机制为韧性断裂,这说明材料具有较好的塑性。综合可知,TC4钛合金经550℃时效处理可得良好的综合力学性能。     

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。     

TC21钛合金热压缩本构方程及热加工图

为准确获得TC21钛合金塑性加工的变形特征和热加工条件，合理设计锻造工艺参数，利用Gleeble-3500热模拟机进行等温恒应变速率热压缩试验，研究了TC21钛合金在变形温度为830～1010℃、应变速率为0.01～10 s^-1条件下的热变形行为，采用Arrhenius双曲线正弦函数推导出TC21钛合金本构方程。并基于动态材料模型(Dynamic Materials Model, DMM)建立了TC21钛合金的热加工图。结果表明，在本试验的变形条件下，该合金的流变应力随着变形温度的降低和应变速率的升高而增大。根据热加工图确定了合金的热加工安全区域为：变形温度为900～940℃、应变速率为0.01～0.05 s^-1和变形温度为970～1010℃、应变速率为0.01～0.08 s^-1。     

TC4钛合金流动软化行为及本构模型研究

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0.001~10 s~(-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1~10 s~(-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0.001~0.1 s~(-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10 s~(-1)条件以及在900,950℃和0.1 s~(-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403 kJ/mol,平均应变速率敏感指数为0.26。     

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。     

TC21钛合金超塑性拉伸变形流变行为

通过恒应变速率超塑性拉伸试验,研究了TC21钛合金在变形温度为1 153~1 193K,应变速率为3.3×10-4~3.3×10-2 s-1条件下的拉伸流变应力行为。计算了TC21钛合金超塑性拉伸变形激活能和相应的应力指数,建立了TC21钛合金应力-应变本构模型,并通过1stopt软件对其进行修正。研究表明,在同一应变速率下,TC21钛合金流变应力随变形温度的升高而减小;在同一变形温度下,流变应力随着应变速率的增大而增大。当应变速率较高,变形温度较低时,动态再结晶为主要软化机制;当应变速率较低,变形温度较高时,加工硬化与软化达到动态平衡,软化机制以动态回复为主;当变形温度为1 153K,应变速率为3.3×10-4 s-1时,TC21钛合金具有较好的超塑性(408.60%);超塑性拉伸变形激活能和应力指数分别为329.20kJ/mol、2.367 7。     

电脉冲短时热处理对等轴组织热轧TC4组织转变和绝热剪切特性的影响

研究了不同温度及保温时间电脉冲热处理对等轴组织热轧TC4钛合金微观组织和力学性能的影响。研究发现,电脉冲热处理能在5 min内将材料的原始等轴组织转变成魏氏组织,且温度越高,组织转变所需的时间越短;在组织转变前,原始热轧组织发生了一定程度的再结晶,转变成魏氏组织后晶粒随着温度的升高及保温时间的延长而长大。电脉冲热处理后的材料其准静态压缩塑性和动态压缩塑性均显著提高,绝热剪切敏感性显著降低,且随着热处理温度的升高及保温时间的延长,材料的准静态和动态压缩塑性呈现下降的趋势。经过1000℃/5 min电脉冲处理的钛合金综合力学性能最好,与原始热轧TC4钛合金相比,绝热剪切临界破坏应变提高了133%,绝热剪切破坏的临界单位体积吸收功提高了192%。     

高温变形参量对TC21钛合金组织与性能的影响

在880～950 ℃和不同应变速率0.01～10 s-1条件下,将TC21钛合金高温压缩变形至50%.研究高温变形参量对流动应力及微观组织的影响规律,建立了TC21合金的本构方程.结果表明:流变应力随变形温度的降低及应变速率的增大而升高,变形温度与应变速率对TC21钛合金显微组织的影响显著,应变速率越低,组织球化现象越明显.高温变形过程中,TC21钛合金的流变应力与Zener-Hollomon参数的指数形式呈线性关系.     

应变速率循环法构建TC21钛合金超塑性本构方程

采用应变速率循环法在超塑拉伸机上对TC21钛合金进行5组高温超塑性拉伸实验,变形温度范围860℃~940℃,应变速率循环范围10-5s-1~10-3s-1。通过对拉伸实验数据分析,计算出TC21钛合金动态再结晶激活能Q,利用Arrhenius模型构建TC21钛合金高温条件下的超塑性本构方程,并通过1stOpt软件进行非线性回归拟合进行修正,得到了更为精准的超塑性本构方程。实验结果表明,当变形温度不变时,流动应力随着应变速率的增大而增大,且高应变速率时,流动应力对应变速率的敏感性要大于低应变速率时,可判定TC21钛合金属于正应变速率敏感材料。TC21钛合金在860℃附近时的超塑性较好,综合延伸率可达366.6%。     

TC4钛合金在小温度范围退火时的力学性能演变

TC4钛合金的塑性较低、变形较困难,在轧制过程中难以控制其组织和性能,因此在后续的热处理中需要严格控制退火温度和保温时间,以获得所需的组织及性能。本文对TC4钛合金板材进行了小温度范围的退火,研究了在小温度范围内TC4钛合金力学性能的变化。结果表明,TC4钛合金板材退火温度从760℃升高至800℃,板材纵向上的晶粒尺寸较小,抗拉强度与屈服强度高于横向上的抗拉强度与屈服强度;同时,板材的伸长率降低。