TC4动态力学性能研究

材料的本构模型参量是结构冲击动力响应数值模拟的基础。本文运用静态实验机和SHB装置,对TC4在常温~750C°、应变率10-4~103s-1下的力学行为进行了研究,得到了相应的塑性本构模型参量。通过Taylor撞击实验及其数值模拟对本构模型参量进行了验证,表明所得参量可较好描述冲击载荷作用下材料的塑性力学行为。     

增材制造TC4钛合金的动态力学行为研究

增材制造TC4钛合金是具有优良的力学性能和工艺性能的金属材料,在航空航天领域已得到重要应用.近年来,在塑性力学的研究中,探究应力状态对金属材料变形和失效行为的影响得到广泛关注,然而大部分的研究都是在准静态下完成的,对于中高应变率下金属材料变形失效的研究较少.本文从增材制造TC4钛合金的基本力学性能出发,考虑应力状态和应...     

表面粗糙度对TC4钛合金柱壳剪切带形成的影响

剪切带是材料在高应变率加载条件下特有的变形和损伤形式之一,关于影响金属材料中剪切带形成的敏感性因素及其机理的研究,一直是科学研究和工程设计中关注的重点问题. 在柱壳高速坍塌过程中,剪切带优先在内表面形核, 其形核及扩展行为受内表面介观状态的影响显著.本文采用爆轰加载厚壁圆筒坍塌实验技术,结合材料表面处理技术、微结构表征技术和剪切带理论模型分析,研究了内表面粗糙度变化对TC4钛合金柱壳剪切带形成影响的细观动力学规律.结果表明, 在爆炸加载形成的高应变率条件下,表面粗糙度对TC4钛合金柱壳中剪切带形成具有明显影响. 在相同的变形条件下,随着试样内表面粗糙度的增大, 剪切带数量、长度和形核速率均增大;表面粗糙度越大, 部分剪切带扩展速率越快, 剪切带长度差异越大,剪切带的屏蔽效应增强. 分析表明,实验获得的剪切带间距与W-O模型和M模型预测结果基本吻合,具体数值受试样内表面粗糙度影响, 随着表面粗糙度的增大,实验结果逐渐小于预测数值.      

钛合金TC4材料热处理工艺对圆筒在内爆炸载荷下膨胀半径的影响

对采用两种不同热处理工艺的钛合金TC4材料进行了Hopkinson拉伸实验、圆筒爆炸实验和数值仿真,从而确定了两种不同热处理工艺的优劣并通过微观分析揭示了钛合金TC4材料微观组织结构对内爆炸载荷下圆筒膨胀半径的影响。实验和数值分析表明:采用双重退火热处理工艺的钛合金TC4材料具有良好的动态力学性能。在相同的加载条件下,经此工艺处理的TC4圆筒在爆轰产物未泄漏之前有着充分的膨胀半径,而且也不容易形成绝热剪切破坏。同时,给出的依据高速摄影照片确定筒壳断裂点的方法是切实可行的,获得的断裂时间与数值分析结果吻合。     

海水环境下TC4钛合金腐蚀磨损性能的研究

本文研究了TC4钛合金和氧化铝陶瓷摩擦副在模拟海水下的腐蚀磨损行为.采用失重法测量磨损体积损失,利用阴极保护和电化学方法测量摩擦过程中腐蚀电流的方法来求得腐蚀磨损之间的交互作用.结果表明:在该试验条件下,TC4钛合金在海水中的腐蚀磨损量明显大于其在阴极保护条件下的磨损量,证明腐蚀与磨损有交互作用的发生.纯磨损量占总腐蚀磨损量的比例为65.9%～89.8%,在腐蚀磨损过程中磨损作用明显大于腐蚀作用.腐蚀磨损交互作用量占总腐蚀磨损量的比例ΔV/V为10.2%～34.1%,腐蚀磨损交互作用同样不可忽视.     

全合成机油润滑下热氧化改性TC4钛合金的摩擦学行为

通过热氧化改性技术,在TC4钛合金表面制备金红石相TiO₂氧化膜,利用XRD、拉曼、辉光光谱对氧化膜结构及成分进行了分析,利用摩擦磨损试验机考察了轻载(约1 GPa)与重载(约2 GPa)下热氧化改性前后TC4钛合金样品在5W-30全合成机油润滑下的摩擦学特性,并利用SEM和XPS对其磨损表面形貌及摩擦化学反应膜的化学成分进行了分析. 结果表明:热氧化改性后,TC4钛合金表面形成具有氧化层和扩散层的双层结构. 在油润滑条件下,与未处理的TC4钛合金表面相比,经过热氧化改性的TC4合金表现出优异的减摩抗磨性能,摩擦系数在轻载和重载条件下分别降低了75%和80%,磨损率均下降了近两个数量级. 其原因在于TC4合金热氧化改性后在表面形成的金红石相TiO₂氧化膜提高了表面硬度,同时改善了润滑油在表面的润湿,并可促进润滑油中抗磨极压添加剂在接触区表面形成含磷的摩擦化学反应膜,从而极大地提高了摩擦学特性.      

TC4钛合金超高周次轴向振动疲劳试验

应用基于压电超声疲劳试验技术开发的20kHz轴向振动疲劳试验系统,完成了室温下TC4钛合金超高周疲劳试验,获得了TC4合金在107～109周次范围内的轴向振动疲劳寿命曲线(S-N曲线);运用C.Paris推导公式预测了TC4合金材料的寿命,得到各应力水平下破坏率为50％、95％、99％的安全寿命.结果表明:在疲劳循环大于107周次时,试件仍会发生疲劳断裂,疲劳强度随循环次数的增加而下降,并不存在明显的疲劳极限.TC4合金的S-N曲线在107～109周次的范围内呈连续下降型.在轴向振动超高周疲劳试验中,试件的裂纹扩展寿命只占其在50％破坏率下疲劳安全寿命的一小部分,其疲劳寿命主要由试件的裂纹萌生寿命决定.     

油溶性有机钼添加剂作用下微弧氧化改性TC4钛合金的摩擦学性能

借助微弧氧化技术在TC4钛合金表面构筑了高硬度氧化物薄膜,利用X射线衍射仪(XRD),扫描电子显微镜(SEM)及拉曼光谱等手段对膜层结构进行了分析,考察了二烷基二硫代氨基甲酸钼(MoDTC)作为聚α烯烃PAO6润滑添加剂对微弧氧化薄膜的摩擦学性能的影响. 结果表明:经过微弧氧化处理后得到的钛合金试样展现了优异的减摩抗磨性能,与未处理的TC4样品相比,在含质量分数为2% MoDTC的PAO6油润滑下,摩擦系数降低了87.4%,磨损率下降了3个数量级. 这主要是因为经微弧氧化处理后,TC4钛合金表面形成的TiO₂薄膜具有较高硬度与耐磨性,同时促进了MoDTC添加剂在边界润滑条件下的摩擦化学反应,在接触区表面生成含有MoS₂的润滑层.      

TC21钛合金显微组织对超长寿命疲劳行为的影响

本文主要研究钛合金的网篮尺寸对于超声疲劳行为的影响。研究发现,对于TC21钛合金,高应力下疲劳裂纹萌生于试样表面;低应力下疲劳裂纹萌生于试样亚表面。最大应力-循环次数(S-N)曲线显示,在两段连续下降的曲线之间有一个表面萌生向内部萌生的转变平台。对于网篮尺寸为60μm的钛合金,转变平台对应的应力幅为540MPa,疲劳极限为430MPa。网篮尺寸为40μm的转变平台应力幅为600MPa,疲劳极限为530MPa。分析得知网篮尺寸为60μm的TC21钛合金疲劳性能低于网篮尺寸为40μm的TC21钛合金。     

钛合金TC4材料热处理工艺对圆筒在内爆炸载荷下膨胀半径的影响

对采用两种不同热处理工艺的钛合金TC4材料进行了Hopkinson拉伸实验、圆筒爆炸实验和数值仿真,从而确定了两种不同热处理工艺的优劣并通过微观分析揭示了钛合金TC4材料微观组织结构对内爆炸载荷下圆筒膨胀半径的影响.实验和数值分析表明:采用双重退火热处理工艺的钛合金TC4材料具有良好的动态力学性能.在相同的加载条件下,经此工艺处理的TC4圆筒在爆轰产物未泄漏之前有着充分的膨胀半径,而且也不容易形成绝热剪切破坏.同时,给出的依据高速摄影照片确定筒壳断裂点的方法是切实可行的,获得的断裂时间与数值分析结果吻合.     

热轧产品微观组织和力学性能的数学模拟

热轧产品的微观组织和力学性能的计算机预报涉及到塑性变形力学、传热学、金属学、冶金学、实验技术等多个学科,是近年来迅速发展的具有广泛应用前景的应用技术. 本文综述了作为该技术基础的力学、传热学数值分析方法和微观组织、力学性能的预报模型.     

热处理对Al-Si-Cu合金力学性能、显微组织与磨损性能的影响

研究了不同热处理条件下Al-Si-Cu合金的力学性能、显微组织及磨损性能.结果表明:与铸态合金相比,T6态合金的晶粒最为细小,Si、Al2Cu和Al Fe Mn Si第二相尺寸变小、变圆整且分布均匀,其力学性能和耐磨性能最好.当载荷小于500 N时,T6态和铸淬态合金的耐磨性能相当,二者表现为磨粒磨损;载荷为500~1 000 N时,Si相受水平方向塑性流变应力作用均匀分布在磨面表面,改善了润滑效果使摩擦系数降低,虽然开始向黏着磨损机制转变,但合金仍保持了较好的耐磨性能;载荷大于1 000 N时,Si相和Al2Cu相周围出现了微裂纹和严重的撕裂状的塑性变形,摩擦系数增大,逐步向剥层磨损转变,合金耐磨性能显著下降.     

高速冲击表面处理对金属材料力学性能和组织结构的影响

高速冲击表面处理过程中的应变率对金属材料的宏观力学性能和微观组织结构都具有重要影响。根据当前应变率效应的研究成果,从宏观与微观相结合的角度出发,综述了高速冲击表面处理过程中应变率对金属材料强度和塑性的影响规律,并重点阐述了不同应变率下金属材料内部微观组织结构的演变规律,主要包括晶粒结构、绝热剪切带、相变、位错组态和析出相以及变形孪晶等。此外,还分析了组织结构随应变率的演化和微观变形机制的转变对材料力学性能的强化和弱化机理。最后,对高速冲击表面处理梯度组织的变形特点进行了总结。提出了不同组织结构对材料性能影响的综合效应模型,以期为应变率效应的深入研究奠定基础。     

SnAgCu焊料的动态力学性能

对SnAgCu焊锡材料在应变率0.001、600、1 200、1 800 s-1下的拉伸和压缩力学性能进行了测试,得到了不同应变率下的应力应变曲线。结果表明,该材料不仅具有明显的应变率效应,而且其动、静态的塑性硬化模量差异很大。金相分析显示:准静态压缩时,塑性变形主要由晶粒的转动、变形和晶界的滑移控制;而动态压缩时,可观察到材料内部的枝状晶粒被折断为大量次级晶枝,呈现出明显不同于准静态情况下的变形机制。     

磨屑对TC4钛合金微动磨损行为的影响

通过在微动循环一定周次后清除磨屑和制备表面织构储存磨屑,研究磨屑对TC4钛合金微动磨损行为的影响. 结果表明:与以往认识不同,清除磨屑会导致摩擦系数和系统形变量随周次的变化曲线出现突降,最大降幅分别可达63%和41%,微动循环图也相应发生改变. 循环一定周次后,磨屑的产生和排出重新达到平衡,摩擦系数与系统形变量又恢复到清除磨屑之前的水平. 当在TC4钛合金表面制备垂直于微动方向的沟槽状表面织构后,大量的磨屑被沟槽束缚在接触区域,造成接触面之间磨屑较多,进而导致摩擦系数和系统形变量比无织构时更大,最大增幅分别可达21%和47%. 收集磨屑后用扫描电子显微镜观察,发现磨屑呈松散的颗粒状,尺寸集中在0.2~1.5 μm,并且多数呈现团聚状.      

α-钛合金TA6的动态力学性能和剪切现象分析

诸多文献已经报道了β和(α β)钛合金冲击和爆炸加载下的绝热剪切现象,本文利用分离式的Hopkinson压杆和反射式Hopkinson拉杆对α-钛合金TA6的动态力学性能进行研究,得到不同应变率下材料的应力-应变曲线,发现钛合金TA6和其他钛合金一样也是一种应变率敏感材料。冲击拉伸加载时破坏形状45度剪切断口,然而其在冲击压缩应力作用下体现为典型的韧性,并未出现其它类型钛合金通常会出现的绝热剪切破坏。进一步分析表明:α-钛合金TA6不同于β和(α β)的钛合金,α-钛合金TA6相对于β和(α β)的钛合金是一种绝热剪切不敏感的材料。同时也利用应力状态的柔韧系数的概念对拉伸时45度的剪切断口解释。     

γ辐照对a-C: H薄膜微观组织、力学性能及摩擦学性能的影响

近年来随着核能及其核装备的发展,辐照环境下高能粒子对润滑材料服役行为的影响受到越来越多的关注. 本研究利用自行设计研制的磁控溅射系统制备a-C: H润滑薄膜,并对其进行伽马 (γ) 辐照处理. 考察γ辐照康普顿效应对a-C: H薄膜微观组织、力学性能和摩擦学性能的影响. 结果表明:经γ辐照后a-C: H薄膜存在由sp2杂化C原子结构向sp3杂化C原子结构转变的趋势,且辐照使得C-H键发生断裂,薄膜内H原子的键合能降低. 伽马辐照使得a-C: H薄膜的纳米机械性能显著提高,辐照样品的残余应力也随辐照剂量呈增加趋势. 此外,γ辐照也使得a-C: H薄膜的摩擦系数和磨损率轻微增加. 综合分析可知,γ辐照在测试剂量范围内对a-C: H薄膜的摩擦性能影响有限,但辐照诱发应力的增加是限制其在核环境中应用的主要因素.      

TC4在动态载荷下的剪切行为研究

使用分离式霍布金森压杆(SHPB)对2种TC4(Ti-6Al-4V)试样(单边剪切试样与双边剪切试样)在应变率10⁴ s^-1下进行动态剪切加载,利用SIM D8高速照相系统捕捉了绝热剪切带扩展的整个历程,得到了TC4在拍照时刻的应力应变曲线;使用金相显微镜和SEM扫描电镜对TC4绝热剪切带的微观形貌进行观察,发现绝热剪切带宽度为5~12 μm,断口从韧窝断裂演变为解理断裂,可观测到韧窝状与河流花样断口形貌,但是并未看到相变的发生;对2种试样就产生绝热剪切带的形式与敏感性进行了分析,实验表明双边试样更易产生绝热剪切带;通过高速照相系统的标定换算,得到TC4绝热剪切带产生的临界剪切应变在78%~88%之间。在SHPB动态加载条件下,TC4绝热剪切带的扩展速度在460~1 250 m/s之间,且应变率越高,剪切带扩展越快,扩展平均速度与名义应变率近似呈线性关系;另外,在同一加载速率下,剪切带并不是匀速扩展,其扩展速度随载荷的增加而不断增加。

     

热氧化温度对TC4钛合金在生理盐水中腐蚀磨损性能的影响

本文中考察了在大气环境下经热氧化处理后TC4钛合金在生理盐水中的腐蚀磨损性能,重点研究了热氧化温度(500~900 ℃)对TC4钛合金的表面氧化物薄膜的结构及腐蚀磨损性能的影响. 结果表明:经热氧化处理后TC4钛合金表面的氧化膜的结构主要由三部分组成:TiO₂与α-Al₂O₃混合组成的表层,以TiO₂为主的亚表层以及氧扩散层内层,热氧化温度对氧化膜的物相结构、表面硬度、膜基结合性能和腐蚀磨损性能有显著影响,其中,在700 ℃下热氧化处理获得的氧化层膜基结合性能最好,表面硬度最高,耐腐蚀磨损性能最好.      

沉淀对Al-Cu-Mg合金中锯齿形屈服现象影响及其微观实验研究

经固溶处理的Al-Cu-Mg合金在常应变率拉伸实验中具有显著的锯齿形屈服现象,且屈服行为随固溶处理温度的改变而呈现不同的特征.塑性变形特性与合金材料的微细观结构,尤其是位错运动的演化密切相关.本文运用透射电子显微镜,研究在不同温度下固溶处理的Al-Cu-Mg合金的微观结构,尤其是析出颗粒的大小和含量.并结合宏观的拉伸实验结果,分析Al-Cu-Mg合金动态应变时效的机制.