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《中国科学技术大学》 2010年
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高温环境下α+β钛合金的动态拉伸力学行为—测试、分析与表征

宫旭辉  
【摘要】: 目前对α+β钛合金在高温准静态加载下的力学行为及变形机理的研究已开展得比较充分,而对α+β钛合金在高温动态加载下的力学行为及变形机理的研究相对少得多,且大部分集中在高温动态压缩加载方面,对于α+β钛合金在中应变率拉伸加载和高温动态拉伸加载下的力学行为及变形机理的研究近乎空白。本课题来源于国家自然科学基金(项目批准号10472110),旨在对我国自行研制的新型α+β钛合金TC21在中应变率和高温动态下的拉伸力学行为和变形机理进行初步的探索。 利用高温冲击拉伸试验技术对双态组织(BM)和魏氏组织(W)TC21在温度为298-1023K应变率为240s-1和1270s-1下(还包括室温500s-1)的拉伸力学行为进行了试验研究;在MTS809材料试验机上进行了相对应温度下应变率为0.001s-1和0.05s-1(还包括室温0.01s-1)的准静态拉伸力学行为进行了试验研究;利用中应变率拉伸试验技术对室温2s-1、18s-1和50s-1下的拉伸力学行为进行了试验研究;利用冲击拉伸复元试验技术对室温240s-1下的等温拉伸力学行为进行了试验研究。试验结果表明,相同工况下,BM TC21的屈服应力和断裂应变要高于W TC21,应变硬化率要小于W TC21;BM TC21和W TC21在试验温度和应变率范围内的拉伸力学行为具有类似的温度相关性和应变率相关性。准静态加载下,屈服应力-温度曲线出现转折点,转折点后屈服应力随应变率的升高急剧下降;动态加载下屈服应力-温度曲线在试验温度范围内并未出现转折点,表明转折温度随应变率的升高而增大。准静态和动态加载下,环境温度低于转折温度时相同当量氧含量的TC21与纯钛的屈服应力具有相似的温度相关性。298-873K时,动态下的屈服应力的应变率相关性要大于准静态,应变率相关性在中应变率范围内发生转折,屈服应力与应变率的对数之间近似呈双线性关系。 温度为298-873K时,两种组织TC21同一温度下的硬化率随应变率的升高而减小。准静态加载下,同一应变率下的硬化率随温度的升高先增大后减小而后又增大;动态加载下,同一应变率下的硬化率随温度的升高先增大后减小,准静态和动态加载下应变硬化率最高时的温度均为673K。 温度为298-673K时,同一温度动态下的失稳应变要小于准静态;温度为873-1023K时,同一温度下动态下的失稳应变要大于准静态,呈现高温高速韧性的特点。在试验应变率范围内,两种组织同一应变率下的失稳应变均随温度的升高先增大后减小。温度为298-873K时,两种组织TC21同一温度动态下的断裂应变要大于准静态;温度为973-1023K时,同一温度动态下的断裂应变要小于准静态。准静态加载下,同一应变率的断裂应变随温度的升高先减小后增大;动态加载下,同一应变率的断裂应变随温度的升高先增大后减小。室温240s~(-1)下的等温应力应变曲线均具有比相同工况下的绝热应力应变曲线更高的应变硬化率及失稳应变和断裂应变;等温应力应变曲线的应变硬化率是应变率无关的。 SEM断口分析表明,BM TC21在所有工况下的断裂方式均为穿晶断裂,而W TC21在室温准静态下的断裂方式为穿晶断裂和沿晶断裂的混合断裂方式,其余工况下为穿晶断裂。两种组织所有工况下拉伸断口均未发现由绝热剪切造成的局部融化区域,断口附近正表面未发现绝热剪切带,即TC21的断裂并不是由绝热剪切引起的,而是由裂纹的形核和扩展造成的。 TEM显微分析表明,两种组织中均存在α束域,束域内α相与相邻的β相的晶体取向近似满足Burgers关系。BM TC21的α束域要小于W TC21,使得BM TC21的屈服应力和断裂应变均要高于W TC21。两种组织TC21在试验温度和应变率范围内的变形机制主要为螺型位错的滑移。准静态加载下,温度低于转折温度时,两种组织的主要滑移类型均为a型滑移;温度高于转折温度时,两种组织的滑移类型为a型滑移和c+a型滑移,表明转折温度是与滑移类型的改变密切相关的。动态加载下,试验温度范围内两种组织均为a型滑移,并未发生滑移类型的改变,从而使得动态加载下并未出现转折点。相同工况下,BM TC21与W TC21的主要滑移系相同,从而使得两种组织的拉伸力学行为具有类似的应变率相关性和温度相关性。动态加载下的应变率相关性要高于准静态可能是由位错增殖速度的增大引起的。 在试验研究和显微分析的基础上,首次提出了一个统一表征准静态至动态、室温至转折温度范围内TC21拉伸力学行为的温度和应变率相关的双线性本构模型。与J-C模型和KHL模型相比,该模型具有以下特点:(1)采用基于双威布尔分布的应变率强化乘子项,该乘子项能够统一表征准静态至动态、室温至转折温度范围内两种组织TC21屈服应力与应变率的相关性,即屈服应力与应变率对数之间的双线性关系,并可预报转折应变率;(2)在应变硬化乘子项中,不仅引入了应变硬化与应变率的耦合项,还引入了应变硬化与温度的耦合项,能够很好地表征两种组织TC21等温条件下应变硬化率与应变率无关的规律和同一应变率加载下应变硬化率随温度的升高先增大后减小的规律。同时,给出了一个确定参数的拟合方法—分解综合法,该方法包括分乘子初值拟合和非线性总体拟合两个步骤。由双线性本构模型和分解综合法所得到的拟合结果与试验结果吻合较好,表明该模型是有效的,确实能够较好地统一完整地表征两种组织TC21在室温至转折温度(298K-约1023K)和准静态至动态(应变率为0.001~(-1)270s~(-1))范围内的,与温度和应变率相关的拉伸力学行为。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TG115.52

【引证文献】
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【同被引文献】
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