【摘要】：TC4(Ti-6Al-4V)鈦合金具有比強(qiáng)度高、密度低、耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)異性能,在海洋工程裝備領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛,然而,鈦合金亦具有較強(qiáng)的環(huán)境敏感性,海洋富氫環(huán)境將加劇鈦合金構(gòu)件表面的吸氫反應(yīng),導(dǎo)致氫致開裂,造成重大安全事故。激光噴丸表面改性技術(shù)利用高強(qiáng)沖擊波壓力在材料表層誘導(dǎo)應(yīng)力強(qiáng)化和組織強(qiáng)化效應(yīng),可有效降低海洋工程關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件發(fā)生氫脆和應(yīng)力腐蝕開裂的概率。本文以TC4鈦合金為研究對象,通過理論分析、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,分析激光噴丸(Laser peening,LP)強(qiáng)化前后,試樣中氫吸附和氫擴(kuò)散行為的變化規(guī)律,探索激光噴丸TC4鈦合金抗氫滲透的宏微觀強(qiáng)化機(jī)理,最終實(shí)現(xiàn)延長海洋結(jié)構(gòu)裝備服役壽命的目的。主要工作如下:(1)從氫脆作用機(jī)理出發(fā),分析鈦合金氫脆產(chǎn)生的原因,闡述氫在材料中的吸附和擴(kuò)散過程,討論氫滲透相關(guān)理論及氫擴(kuò)散的控制方程和本構(gòu)方程,從彈塑性力學(xué)的角度出發(fā),對激光噴丸后材料的動態(tài)響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行分析,評估其誘導(dǎo)形成的殘余應(yīng)力場,分析激光噴丸強(qiáng)化誘導(dǎo)的殘余壓應(yīng)力、晶粒細(xì)化及位錯(cuò)增殖等應(yīng)力和組織強(qiáng)化效應(yīng)提升TC4鈦合金抗氫滲透性能的機(jī)理。(2)開展不同激光功率密度下,典型TC4鈦合金試樣激光噴丸強(qiáng)化、電化學(xué)充氫及氫滲透試驗(yàn),探索充氫試樣激光噴丸前后,材料表層殘余應(yīng)力、顯微硬度、晶粒尺寸及位錯(cuò)組態(tài)等宏微觀后續(xù)性能變化,及其對氫吸附和擴(kuò)散行為的影響。結(jié)果表明,隨著激光功率密度的增加,充氫試樣表層的殘余壓應(yīng)力幅值、顯微硬度影響層深度、晶粒細(xì)化率和位錯(cuò)密度均增加,充氫后材料表層的硬化率逐漸降低,位錯(cuò)密度的增加可提供更多的氫捕獲位點(diǎn),且位錯(cuò)在材料內(nèi)部的均勻分布有助于降低氫在晶界富集的概率。根據(jù)氫滲透試驗(yàn)的氫滲透曲線計(jì)算獲得氫擴(kuò)散系數(shù)、晶格中的氫濃度和氫陷阱密度等指標(biāo),結(jié)果表明,激光噴丸有利于阻礙氫原子在TC4鈦合金材料表層的吸附,降低氫在材料晶格內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù),擴(kuò)散率的降低使得氫難以繼續(xù)向材料內(nèi)部滲透,從而可有效降低TC4鈦合金的氫脆敏感性。(3)基于ABAQUS軟件,構(gòu)建激光噴丸工藝參數(shù)-殘余應(yīng)力-氫擴(kuò)散特性集成的數(shù)字化分析平臺,將激光噴丸強(qiáng)化有限元分析所得的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果,作為氫擴(kuò)散的預(yù)定義場,進(jìn)行應(yīng)力誘導(dǎo)氫擴(kuò)散的順次耦合計(jì)算,研究殘余壓應(yīng)力分布對TC4鈦合金抗氫滲透行為的影響規(guī)律,實(shí)現(xiàn)鈦合金氫脆敏感性的合理預(yù)測。對比激光噴丸誘導(dǎo)表層殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果,表明模擬值與試驗(yàn)值的變化趨勢一致,環(huán)境氫濃度直接影響氫滲入材料內(nèi)部的速率及數(shù)量,激光噴丸誘導(dǎo)的殘余壓應(yīng)力分布可有效降低進(jìn)入材料內(nèi)部的氫濃度,從而提高TC4鈦合金抗氫脆性能。最后,綜合分析實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果,提出激光噴丸強(qiáng)化TC4鈦合金抗氫滲透機(jī)理。 【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：P75;TG146.23;TG668

【圖文】：

如圖1.1 所示，其卓越的綜合性能得到了完美地展現(xiàn)。與銅、不銹鋼、鋼鐵、鋁合金等常規(guī)金屬材料相比，鈦材最顯著的特點(diǎn)是比強(qiáng)度高、密度低、耐腐蝕性強(qiáng)；同時(shí)還具有杰出的無冷脆性、抗海水沖刷、無磁性等功能。在鑄造及塑性成形等領(lǐng)域，能夠使用一般的方式對其加工，所以各類海洋工程裝備中鈦合金的使用比較廣泛。圖 1.1 鈦合金在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用(a)海洋工程(b)艦船F(xiàn)ig.1.1Application of titanium alloy in marine field (a) marine engineering (b) ship然而，鈦合金具有很強(qiáng)的環(huán)境敏感性，在海洋富氫服役環(huán)境中，鈦合金容易和氫發(fā)生相互作用產(chǎn)生氫脆失效。鈦合金的吸氫能力比較強(qiáng)，早期研究發(fā)現(xiàn)鈦合金在海水中具有明顯的氫吸附現(xiàn)象，深海環(huán)境將加劇鈦合金構(gòu)件表面的吸氫反應(yīng)或氫致開裂[2]，嚴(yán)重的安全事故會因此發(fā)生，從而限制了鈦合金在海洋工程結(jié)構(gòu)裝備中的應(yīng)用。因此，研究鈦合金的抗氫脆工藝，抑制鈦合金的氫脆敏感性，降低氫致裂紋的萌生幾率和擴(kuò)展速率，最終提高鈦合金在深海富氫環(huán)境下的服役壽命具有十分重要的科學(xué)與工程意義。

有外部氫的影響，鈦材處于富氫環(huán)境時(shí)，可以與其中的氫相互作用。內(nèi)部氫外部氫[6]-[8]與材料的作用機(jī)制已被大量研究。早在 19 世紀(jì)就發(fā)現(xiàn)了金屬中的氫滲透現(xiàn)象，也有相關(guān)報(bào)道將鈦放入氯化還原性酸中，發(fā)生了氫脆的現(xiàn)象。進(jìn)入 20 世紀(jì)后，由于技術(shù)的飛速進(jìn)步，鈦材氫脆性能的檢測和表征方法也不斷更新，對鈦合金氫脆現(xiàn)象的研究主要察在富氫環(huán)境中材料性能的變化，一些主要研究成果如下：V. Madina 等人[9]通過慢應(yīng)變速率技術(shù)研究了三種不同鈦合金對氫致應(yīng)力現(xiàn)象的敏感性。所得結(jié)果表明，材料的微觀結(jié)構(gòu)，，特別是β相含量，對鈦合致應(yīng)力開裂現(xiàn)象的敏感性起著重要作用。通過氫在純α鈦合金中的低溶解度散率可解釋淺氫化物層的產(chǎn)生和在無氫化物的 Ti Gr-2 合金上引起的二次。Ti Gr-12 合金中，少量的β相能夠?qū)湟蚧w材料，從而增加其滲透性氫含量達(dá)到飽和時(shí)，氫化物在α相中沉淀誘導(dǎo)裂紋產(chǎn)生（圖 1.2）。對于 Ti G金而言，β相含量足以溶解試驗(yàn)期間在試樣表面上產(chǎn)生的氫，而無氫化物沉二次裂紋。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2711987