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引入微观内应力的钛合金整体结构件加工整体变形机理研究

刘冰  
【摘要】:钛合金因其优异的综合力学性能、低密度、良好的耐腐蚀性能以及优异的高温抗拉强度、蠕变强度和高温稳定性能等,已成为现代宇航、国防工业关键的支撑材料之一。然而,由于钛合金切削加工中大的切削力、高的切削温度、小的弹性模量等力学属性以及零件不均匀的初始应力分布,使钛合金整体结构件数控加工中的变形问题更加复杂,严重影响了钛合金航空整体结构件的生产效率和最终产品精度。目前对整体结构件加工变形的研究仅考虑了宏观内应力的影响,尚未涉及微观内应力,在解决加工变形方面缺乏可靠的理论依据。本文在阐述航空整体结构件国内外加工研究现状、产生变形原因的基础上,采用实验与理论相结合的方法,在加工变形问题中引入微观内应力,较系统地研究了微观内应力对钛合金整体结构件加工变形的影响规律,并在考虑宏观和微观内应力复合作用的基础上揭示了钛合金整体结构件加工变形的本质机理。 论文首先借助TEM实验研究钛合金整体结构件加工变形这一塑性变形过程中位错及层错的形成特征及其规律,通过对钛合金材料切削加工后的选区电子衍射花样、衍衬TEM像及高分辨率电子显微像的观察和分析,明确了钛合金加工变形过程中内部位错与层错的主要特征,研究结果表明,由于钛合金材料特性差异,钛合金材料切削加工过程中位错运动剧烈,而层错特征不明显,后续的研究中可以忽略层错的影响,此研究结果为进一步计算微观内应力打下了基础。 其次,研究了基于X射线应力衍射实验的的微观内应力计算算法,综合分析了引起衍射线宽化效应的各种因素,根据透射电镜的实验结果排除了堆垛层错对衍射谱线的影响后,着重讨论了不易分离的亚晶块尺寸的影响,提出了计算微观内应力的计算算法,即利用微观内应力的X射线宽化效应,进行亚晶块尺寸及显微畸变宽化效应的解卷积运算。微观内应力的得出为进一步研究其对钛合金整体结构件加工变形的影响规律奠定了基础。 最后,在上述研究的基础上,进行了钛合金整体结构件加工变形实验和X射线应力实验。根据已建立的微观内应力计算算法,求解了钛合金整体结构件加工变形中的微观内应力,得到了不同变形阶段中的加工变形规律及宏微观内应力变化规律。进一步结合宏、微观内应力的复合作用较全面地研究了钛合金整体结构件加工变形产生的本质机理。结果表明:在加工完成、卸掉装夹后,宏观内应力迅速释放,并在短时间内平衡,使工件发生较快的加工变形,随后,随着微观内应力的释放,对整体结构件加工变形产生一定影响,造成了整体结构件后期的缓慢变形,宏观与微观内应力的共同作用造成了整体结构件加工变形的产生与变化。


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