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钛合金材料的塑性变形机制及本构关系研究

贾宝华  
【摘要】:钛合金材料由于具有优异的综合力学性能和良好的生物相容性等优点,从而被广泛地应用于航空航天、船舶、化工、兵器工业以及生物医药等领域。本文对钛合金材料的发展和应用情况以及钛合金的分类和显微组织类型进行了简要介绍,并对其研究现状进行了较为详细的综述,分别从热变形和本构关系、塑性变形机制、晶体塑性模型等三个方面对其研究现状进行了总结。在综述的基础上,进行了以下几个方面的工作: 对TC18合金的压缩力学行为进行了表征,在此基础上,对TC18钛合金的热变形行为进行分析,建立了修正的Arrihenius本构模型来表征其在高温压缩条件下的力学性能,对其在常温实验条件下的断裂机制进行了分析,并在Hart模型的基础上,推导出了能够将微观物理机制与宏观实验结果联系起来的微观本构模型。通过对TC18合金在不同温度和不同应变率下压缩变形的试件内部微观组织的分析,发现随着温度的升高,初生α相的数目减少,等轴化程度加大,在常温至600℃下β相中弥散分布的次生片层状α相,至温度升高到800℃时被球化成小α晶粒;而随着应变速率的减小,α晶粒总的趋势是减少的,在较高应变率下,长条状的α晶粒占据优势,在较低的应变率下,等轴状的α晶粒比较多且长条状的α晶粒变宽,表明压缩速率对α晶粒具有一定的粗化作用,压缩速率较小有利于α晶粒的宽化和生长。 通过对Ti600合金在压缩变形过程中的流变应力进行分析,建立了修正的井上胜郎高温本构关系,对其在常温下断裂试件的断口进行扫描电镜观察,发现在常温准静态压缩条件下Ti600合金的断裂形式主要以河流花样的脆性断裂为主,同时在局部区域出现韧窝状的韧性断裂特征。 通过对Ti40合金真应力-真应变数据的分析,在Arrihenius模型的基础上,建立了Ti40合金在比较大的温度范围内的应力本构模型,确定了所提本构模型的各参数值,并在随后对该模型的精度进行了误差分析,表明该力学模型具有良好的精度。通过对Ti40合金在不同条件下微观组织的分析,发现在较高应变率下,Ti40合金中心位置的β晶粒破碎的比较严重,当应变率降低,晶粒的破碎现象不明显,其原因是由于随着应变率的降低,绝热温升情况大大降低;而随着温度升高,β晶粒的形态发生了一定的变化,晶界逐渐变得模糊,降低了合金抵抗变形的能力,其原因是由于随着温度升高,合金内部β晶界和部分β晶粒“液化”,以致于出现再结晶现象。 采用Bassani和Wu提出的硬化模型,在讨论滑移和孪生两大塑性变形机制的演化规律基础上,通过使用塑性速度梯度来表示单晶体的塑性变形,建立了细观尺度下单晶体的本构,并通过引入等效夹杂的概念确定细观物理量与宏观物理量的关系,建立了HCP多晶体材料弹粘塑性自洽模型。


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