【摘要】：TA7鈦合金(Ti-5Al-2.5Sn合金)是使用最為廣泛的α鈦合金之一,由于具有諸多優(yōu)異的物理化學特性,TA7鈦合金被應用于許多工程領域。TA7鈦合金作為結構材料在其加工制造、服役過程中可能會在高低溫環(huán)境下承受高應變率加載,了解TA7鈦合金在不同溫度和應變率時的力學性能對其工程應用具有重要意義。包括鈦合金在內的許多金屬材料均表現(xiàn)出拉伸和壓縮力學行為的不對稱性,對金屬拉壓不對稱性及其溫度和應變率的相關性開展實驗研究和分析對于材料的加工和應用也是必要的。本文對TA7鈦合金在較大溫度和應變率范圍內的拉伸和壓縮力學行為進行了較系統(tǒng)性的研究。對試驗所用的退火TA7鈦合金棒材的初始形貌進行了顯微觀察,觀察顯示材料中幾乎全為α相等軸晶粒,退火棒材具有較弱的1210//RD絲織構特征。在較大的溫度(-120～600℃)和應變率(0.001～1050s-1)范圍內對TA7鈦合金進行了單向拉伸試驗,結果表明TA7鈦合金拉伸力學行為具有顯著的溫度相關性和應變率相關性。TA7鈦合金拉伸屈服應力隨溫度的升高而減小,拉伸應變硬化隨溫度的升高而略有增大;拉伸屈服應力隨著應變率的增加而增大,拉伸應變硬化隨著應變率的增加而減小。對單向拉伸后的TA7鈦合金試樣進行了 EBSD觀察,結果顯示TA7鈦合金在單向拉伸加載下有少量的{1012}拉伸孿晶和{1122}壓縮孿晶形成,分析表明單向拉伸加載時棒材中發(fā)生的滑移主要為柱面a滑移。通過動態(tài)拉伸加卸載試驗得到了 TA7鈦合金高應變率等溫拉伸應力-應變響應,結果顯示TA7鈦合金高應變率拉伸塑性變形行為具有顯著的絕熱溫升軟化效應,等溫應變硬化隨應變率的增加而減小�；赥A7鈦合金的宏觀塑性變形特征,對物理基的VA本構模型進行了修正并用來表征TA7鈦合金的拉伸應力-應變響應,結果顯示修正的VA本構模型能較好地表征TA7鈦合金溫度和應變率相關的拉伸力學行為。對TA7鈦合金在不同溫度(-70～300℃)和應變率(0.001～3000s-1)條件下進行了單向壓縮試驗,結果顯示TA7鈦合金單向壓縮力學行為亦具有顯著的溫度相關性和應變率相關性。TA7鈦合金壓縮屈服應力隨溫度升高而顯著減小,壓縮應變硬化隨溫度升高而略有增大;壓縮屈服應力隨應變率的增加而顯著增大,壓縮應變硬化隨著應變率的增加而減小。對壓縮加載后的試樣進行了 EBSD觀察,結果顯示TA7鈦合金在單向壓縮塑性變形過程中會生成{1012}拉伸孿晶和{1121}拉伸孿晶,且孿晶更容易在低溫和高應變率下形成。使用修正的VA本構方程對TA7鈦合金的壓縮應力-應變響應進行了表征,結果顯示該本構方程能較好地描述TA7鈦合金在不同溫度和應變率壓縮加載下的力學行為。對TA7鈦合金單向拉伸和單向壓縮應力-應變響應進行了對比分析,結果顯示TA7鈦合金的力學行為表現(xiàn)出明顯的拉壓不對稱,拉伸屈服應力和拉伸應變硬化均低于壓縮屈服應力和壓縮應變硬化。TA7鈦合金的屈服應力和應變硬化的拉壓不對稱性在高應變率加載時更加顯著,而溫度對拉壓不對稱性沒有顯著影響。對TA7鈦合金拉伸和壓縮加載時的細觀塑性變形特征進行了比較,并對拉壓不對稱性的機理進行了簡要分析。顯微觀察結果顯示,拉伸試樣的孿晶密度比壓縮試樣的孿晶密度更低,且拉伸和壓縮試樣中孿晶的種類也有差異,這是TA7鈦合金宏觀應力-應變響應具有拉壓不對稱性的原因之一。文獻結果表明,α鈦的錐面c+a滑移具有拉壓不對稱性,這也是TA7鈦合金宏觀應力-應變響應出現(xiàn)拉壓不對稱性的原因之一。基于退火TA7鈦合金棒材的初始織構特征建立了多晶塑性有限元模型,考察了模型的幾何參數和物理參數對模型計算結果的影響,特別是錐面c+a滑移的相關參數的拉壓不對稱性對宏觀應力-應變響應的影響,驗證了模型的有效性。數值計算結果表明,采用該晶體塑性有限元模型能較好地模擬TA7鈦合金棒材在拉伸和壓縮加載下的宏觀力學行為以及織構演化。在此基礎上,研究了 TA7鈦合金的細觀塑性變形機制,結果表明,柱面滑移是TA7鈦合金的主要塑性變形形式,柱面滑移所占比例隨著塑性變形的發(fā)展而逐漸降低,而基面滑移和錐面滑移所占比例隨著塑性變形的進行而增大;塑性變形過程中晶粒的取向會發(fā)生顯著的改變。TA7鈦合金中滑移系的剪切變形使得材料織構的演化表現(xiàn)出拉壓不對稱性,最終對TA7鈦合金宏觀應力-應變響應的拉壓不對稱性產生貢獻。
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TG146.23
【圖文】：

是晶體最常見的塑性變形形式之一，ｃｔ鈦邋ａ邋滑移系、｛0Ｉｌ0｝＜２ｌＩ0＞柱面《邋滑移系沿《方向的滑移系僅能協(xié)調ＨＣＰ結構晶形形式來協(xié)調ＨＣＰ結構晶體沿ｃ方向的鈦重要的滑移系之一［｜２－１６】。對于密排六方｛０１１１｝和二級錐面｛２訂２｝上發(fā)生，研究向于在一級錐面｛０１１１｝上發(fā)生［１７１。ａ鈦如圖１．２ａ）所示。晶體的滑移是滑移面上，因此各滑移系發(fā)生的難易程度可以使用臨移系發(fā)生滑移時滑移面上沿滑移方向所需性變形形式在塑性變形過程中越容易發(fā)最密排面，最容易發(fā)生滑移的方向為最密ＨＣＰ結構金屬的最密排面和最密排方向常數為和ｃ＝０．４６８ｎｍ，軸比ｃ／＿

子的加入還會增大ａ鈦的拉伸應變硬化率［４２Ｕ鋁（Ａ１）原子的加入會顯著提高《鈦逡逑合金的晶格常數，進而改變ＨＣＰ晶體的軸比ｃ／ａ，如圖１．５所示［４４］。在較小的濃逡逑度范圍內《鈦合金的軸比Ｃ／？隨著鋁原子質量濃度增大而顯著增大，這將提高逡逑ＨＣＰ晶格的基面密排度、降低基面堆垛層錯能，使得基面上的位錯更易于啟動［２３－逡逑４５４７］。除了滑移之外，Ａ１原子的加入也會對ａ鈦合金中孿晶的形成造成影響［４＼逡逑Ｗｉｌｌｉａｍｓ等對不同Ａ１原子含量的《鈦單晶沿不同方向進行了加載，結果顯示提逡逑高溫度和Ａ１含量會抑制孿晶的生成，平行于＾軸壓縮時，塑性變形模式隨Ａ１含逡逑量的增大而從孿晶逐漸轉變?yōu)殄F面滑移，此外在最高Ａ１含量的《鈦中基逡逑面滑移比柱面滑移更容易發(fā)生［４９］。Ｌｉ等對多晶純鈦和Ｔｉ－５Ａｌ－２．５Ｓｎ合金的單軸逡逑拉伸及拉伸蠕變試驗表明，Ｔｉ－５Ａｌ－２．５Ｓｎ合金的基面滑移比多晶純鈦的基面滑移逡逑更容易發(fā)生，而多晶純鈦的錐面＜＾＋＜｜＞滑移和孿晶則比Ｔｉ－５Ａｌ－２．５Ｓｎ合金的錐面逡逑＜ｃ＋＜ｉ＞滑移和孿晶更容易發(fā)生［２２］。從圖１．５中還可以看到錫（Ｓｉｉ）元素的加入也會逡逑顯著改變《鈦合金的軸比ｃ／ａ的值，與鋁元素相同，這也會改變《鈦合金的塑性逡逑變形行為。逡逑－Ｍｅａｓｕｒｅｄ逡逑

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本文編號：2731728