TC21合金片層組織特征對其斷裂韌性的影響

采用tem、sem和ebsd等組織分析技術(shù)研究了β退火態(tài)片層組織tc11鈦合金兩相區(qū)熱變形球化過程中組織的精細(xì)結(jié)構(gòu)和晶界特征。結(jié)果表明,片層組織的球化過程包括α片內(nèi)小角度晶界形變和回復(fù)亞結(jié)構(gòu)的形成、β相沿亞晶界擴(kuò)散和晶界滑動(dòng)作用下片層的解體以及晶界擴(kuò)散和滑動(dòng)驅(qū)動(dòng)下α晶粒的球化和組織的均勻化。ebsd測試結(jié)果揭示了片層組織兩相區(qū)熱變形的球化機(jī)制為α相的連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和β相的動(dòng)態(tài)回復(fù)或不連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程。

采用等溫壓縮實(shí)驗(yàn)研究了具有不同初始片層厚度(3μm和0.4μm)的tc11合金兩相區(qū)變形時(shí)的微觀組織演化,其中壓縮實(shí)驗(yàn)的變形溫度為920℃~980℃,應(yīng)變速率為0.1s-1~1s-1,變形量為30%~70%。金相分析表明具有片層組織的tc11合金兩相區(qū)變形時(shí)微觀組織演化主要為α片層的球化過程。進(jìn)一步的研究結(jié)果表明:在相同的變形工藝參數(shù)下,細(xì)片層組織(片層厚度0.4μm)的球化程度高于粗片層組織(片層厚度3μm);兩種初始片層厚度組織的球化程度均隨應(yīng)變的增加和應(yīng)變速率的降低而提高;變形溫度對兩者球化程度的影響存在不同的規(guī)律:粗片層組織的球化程度隨溫度的升高而增加,細(xì)片層組織的球化程度隨溫度的升高而降低;初始片層厚度和應(yīng)變是影響tc11合金片層組織球化的主要因素,在兩相區(qū)變形之前可通過β熱處理+快速冷卻得到細(xì)片層和采用反復(fù)鐓拔等大應(yīng)變變形得到片層完全球化的細(xì)晶等軸態(tài)組織。

通過研究單級、雙級和三級時(shí)效對新型高強(qiáng)鋁合金強(qiáng)韌性的影響,探索使該合金具有最佳強(qiáng)韌性配合的熱處理工藝。此外,對該合金在不同熱處理?xiàng)l件下的kic試樣的斷裂特征進(jìn)行了觀察。

通過熱壓縮試驗(yàn)研究了tc11鈦合金退火態(tài)片層組織在兩相區(qū)980℃,950℃,850℃,應(yīng)變速率0.001s-1,0.01s-1條件下,變形程度30%~70%范圍內(nèi)的熱變形過程。分析了熱變形參數(shù)對變形行為和片層組織球化過程的影響,并根據(jù)片層組織球化分?jǐn)?shù)演變特征,建立了修正的avrami片層組織球化動(dòng)力學(xué)方程,與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。

在gleeble-1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上通過熱壓縮試驗(yàn)研究具有初始片層組織的tc17鈦合金在變形溫度為780～860℃、應(yīng)變速率為0.001～10s~(-1)、變形量為15%～75%范圍內(nèi)的組織演變,定量分析熱變形參數(shù)對片層組織動(dòng)態(tài)球化過程的影響。采用結(jié)合貝葉斯歸一化算法的bp人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),建立tc17鈦合金片層組織動(dòng)態(tài)球化演變的預(yù)測模型,誤差分析表明模型精度較好。

研究了高壓下凝固ti-48al合金片層間距及其力學(xué)性能的變化。結(jié)果表明,壓力下凝固時(shí),隨著凝固壓力的增加擴(kuò)散系數(shù)降低,從而引起片層增厚速度的降低,即片層間距的減小。在常壓、2gpa、4gpa下凝固時(shí),片層間距的平均值分別為495,345,227nm。片層組織的顯微硬度隨著凝固壓力的增加而增加。該實(shí)驗(yàn)為細(xì)化片層間距提供了一種新的方法。

為了深入了解冷激合金鑄鐵氣門挺桿的磨損規(guī)律,研究了冷激合金鑄鐵氣門挺桿表層組織對耐磨性的影響。結(jié)果表明:當(dāng)氣門挺桿組織中的石墨以點(diǎn)狀均勻分布,碳化物呈細(xì)小針狀、塊狀,分布較為均勻時(shí),耐磨性較好,磨損形式以劃傷、點(diǎn)蝕為主;當(dāng)氣門挺桿組織中的石墨以片狀均勻分布,碳化物呈粗大針狀、塊狀,分布不均勻時(shí),耐磨性較差,磨損形式以剝落為主。

研究了通過熱處理制度調(diào)整,在合金α片層之間形成細(xì)小的條狀次生α相,形成一種新型的鈦合金顯微組織——雙片層組織。通過對比等軸組織、雙態(tài)組織、片層組織和雙片層組織的性能,結(jié)果表明,在合金的強(qiáng)度和塑性不損失的條件下,雙片層組織進(jìn)一步提高了裂紋在合金中的擴(kuò)展阻抗,使得合金的斷裂韌性得到改善,疲勞裂紋擴(kuò)展速率得到降低。雙片層組織提高了疲勞裂紋擴(kuò)展路徑,使得大量的次生裂紋萌生。

研究了缺口對鑄造單一取向?qū)悠M織tial合金斷裂形貌特征和斷裂機(jī)制的影響。通過對斷口進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn),缺口對單一取向的層片組織有較大影響。研究表明,在光滑試樣的拉伸過程中,裂紋起源于試樣內(nèi)部,然后迅速擴(kuò)展至斷裂;在缺口試樣的拉伸過程中,微裂紋于斷口邊緣產(chǎn)生,在切應(yīng)力的作用下擴(kuò)展、連接形成裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū),然后在正應(yīng)變控制下從裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)向裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)過渡,同時(shí)試樣失穩(wěn)。

利用金相顯微鏡、掃描和透射電鏡等儀器表征了tial合金的片層組織及結(jié)構(gòu)特征,研究了ti-48alat%合金片層組織的形成機(jī)制和片層組織細(xì)化工藝及其機(jī)理。結(jié)果表明,ti-48al合金單級熱處理能夠得到全片層組織,平均晶粒尺寸約150μm,片層間距約1.30μm。其形成過程是:γ相在α相晶內(nèi)(0001)面上通過全位錯(cuò)分解成核,通過不全位錯(cuò)滑移、層錯(cuò)區(qū)擴(kuò)展而長大。循環(huán)熱處理和雙溫?zé)崽幚砭軐⑵瑢泳Я３叽缂?xì)化到30μm,片層間距0.90μm,前者的細(xì)化機(jī)理為相變重結(jié)晶細(xì)化了α相晶粒,后者細(xì)化片層組織的關(guān)鍵在于低溫段(α2+γ)兩相區(qū)熱處理形成細(xì)小的雙態(tài)組織。

介紹了目前國內(nèi)外在鈦合金片層組織的球化規(guī)律及模型方面的的研究成果.主要探討了熱變形參數(shù)、原始晶粒大小、加工方式對鈦合金片層組織球化規(guī)律的影響及幾種主要的球化機(jī)制模型.

研究了1150℃時(shí)效時(shí)ti-48al合金全片層組織的連續(xù)粗化機(jī)制。片層組織的連續(xù)粗化不僅能通過片層界面缺陷(如臺階、端部、彎曲的界面等)遷移來實(shí)現(xiàn)，而且可以通過γ/γ片層界面遷移或分解的方式來實(shí)現(xiàn)；在真孿晶、偽孿晶和120°旋轉(zhuǎn)有序型γ/γ界面當(dāng)中，120°旋轉(zhuǎn)有序界面的穩(wěn)定性最低，最容易遷移或分解；γ片層內(nèi)的120°旋轉(zhuǎn)有序疇界與片層界面的交匯處易形成熱溝(thermalgroove)，它往往成為片層界面發(fā)生分解的起始部位。

利用定向凝固方法研究了在1580和1650℃加熱溫度下ti-47al-2cr-2nb合金不同片層取向的晶粒競爭生長規(guī)律.顯微組織分析表明,合金初生相為β相,隨后發(fā)生包晶反應(yīng)形成α相,并在β→α轉(zhuǎn)變時(shí)α相依附已有β相形核,12種α變體中僅形成了一種特定取向的α變體,兩相區(qū)平均溫度梯度由40k/cm增大至160k/cm,從而使凝固界面形態(tài)由柱狀樹枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榘麪顦渲?在排除切割面影響的前提下,對γ片層取向的演變過程進(jìn)行了分析.結(jié)果表明,在1mm/min的抽拉速度下,溫度梯度為40k/cm(加熱溫度為1580℃)時(shí),與生長方向呈74°左右的柱狀晶逐漸淘汰其他與生長方向約呈45°的晶粒;提高溫度梯度至160k/cm(加熱溫度為1650℃)時(shí),與生長方向呈74°左右的柱狀晶逐步淘汰其他與生長方向約呈90°的晶粒而生長占優(yōu).晶體取向計(jì)算表明,在本實(shí)驗(yàn)條件下β枝晶傾向于沿〈110〉_β方向擇優(yōu)生長,提高溫度梯度使β枝晶沿〈110〉_β方向擇優(yōu)生長趨勢增強(qiáng),〈001〉_β等其他取向枝晶被更快淘汰.

采用加工圖理論分析了tc17(ti-5al-4mo-4cr-2sn-2zr)鈦合金在高溫變形過程中的片狀α球化規(guī)律。結(jié)果表明:用加工圖理論分析材料的高溫變形行為能準(zhǔn)確直觀地反映出材料在不同變形條件下的組織演變規(guī)律。分析加工圖發(fā)現(xiàn):tc17合金在840℃~870℃,應(yīng)變速率0.5s-1~3s-1之間變形是片狀α組織球化的理想?yún)^(qū)域,此時(shí)對應(yīng)的能量耗散效率值為45%左右;在850℃~910℃,較高應(yīng)變速率(>5s-1)下對tc17合金加工易發(fā)生流變不穩(wěn)定現(xiàn)象,形成絕熱剪切帶。

研究了含ag7055鋁合金在t6,t73,rra3種熱處理狀態(tài)下的力學(xué)性能、斷裂特征及顯微組織變化特征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,rra處理可以在保持t6狀態(tài)強(qiáng)度的同時(shí),獲得較高的電導(dǎo)率,然而試樣的延伸率相對較低;斷口sem形貌觀察表明,t6狀態(tài)斷裂機(jī)制為剪切型穿晶斷裂和沿晶斷裂同時(shí)并存,而t73處理后,主要呈韌窩型穿晶斷裂,沿晶斷裂部分減少,rra試樣斷口則主要為沿晶斷裂,并在晶界面上分布有韌窩型斷裂特征;由于不同熱處理狀態(tài)下,強(qiáng)化相不同且其阻礙位錯(cuò)滑移能力也不同,同時(shí)晶界pfz寬度也發(fā)生變化,這些因素的綜合作用導(dǎo)致不同熱處理狀態(tài)下的斷裂特征不同。

系統(tǒng)研究了直徑為0.5mm的細(xì)晶粒微型鉆頭金剛石涂層前預(yù)處理工藝對其斷裂強(qiáng)度的影響,并嘗試使用線形同軸耦合式微波等離子體cvd方法對預(yù)處理后的微型鉆頭進(jìn)行了金剛石涂層。其中,預(yù)處理采用murakami溶液(10gkoh+10gk3[fe(cn)6]+100gh2o)對微型鉆頭進(jìn)行表面侵蝕,使其表面適當(dāng)粗化;其后采用硫酸-雙氧水溶液(10ml98wt%h2so4+100ml38%m/vh2o2)對微型鉆頭表面進(jìn)行侵蝕,以去除其表面的co。實(shí)驗(yàn)表明,被廣泛采用的上述兩步法表面預(yù)處理技術(shù)對尺寸較小的硬質(zhì)合金微型鉆頭的斷裂強(qiáng)度會(huì)造成顯著的影響。即使是很短時(shí)間的預(yù)處理,也會(huì)對硬質(zhì)合金表面造成顯著的損傷,引起微型鉆頭斷裂強(qiáng)度的大幅度下降。其中,酸處理過程由于會(huì)引起表層組織疏松,其造成的斷裂強(qiáng)度的下降更為嚴(yán)重。這表明,兩步法預(yù)處理方法并不適用于尺寸較小的硬質(zhì)合金工具。針對小截面硬質(zhì)合金工具金剛石涂層的需求,需要發(fā)展更為適用的表面預(yù)處理方法。

高頻焊管斷裂韌性要求值的預(yù)測

對原始組織為不同粗細(xì)片層組織的ta15鈦合金板材在兩相區(qū)進(jìn)行75%的熱軋變形,并用金相法觀察變形后組織的球化行為,并分析變形機(jī)理。結(jié)果表明,晶內(nèi)片層狀α相隨變形量增加發(fā)生球化,球化程度與片層狀α相粗細(xì)有關(guān),粗片層狀組織發(fā)生扭曲和彎折,但等軸α晶粒較少;細(xì)片層狀組織大部分發(fā)生球化,生成均勻細(xì)小的等軸組織,這說明原始組織片層狀越細(xì)則變形后球化程度越高,組織更均勻細(xì)小。

２００３年增刊 ?　４１　? 機(jī)械動(dòng)力學(xué)專集 靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)加載的加載速度和試樣變形速度 比較低，未計(jì)及其對斷裂過程帶來的影響。在高的加 載速度和試樣變形速度情況下，材料變形和斷裂的 性質(zhì)發(fā)生了改變。當(dāng)加載速度提高時(shí)，材料塑性變形 過程受到了約束和限制，使材料的屈服點(diǎn)升高，塑性 有可能降低，形變硬化過程也受到影響，從而增加了 材料的脆化傾向。對含缺口、裂紋等缺陷的構(gòu)件，即 使加載速度并不高，在缺口、裂紋的尖端也能達(dá)到很 高的變形速度，此時(shí)同樣會(huì)增加材料的脆化傾向。因 此，在高速?zèng)_擊載荷作用下，焊接接頭的沖擊斷裂韌 性應(yīng)該與在靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)載荷作用下有很大不同。 一、試驗(yàn)安排 試驗(yàn)利用ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ小氣炮加載裝置［１］對沖擊 試樣進(jìn)行高速?zèng)_擊加載。試驗(yàn)中子彈質(zhì)量ｍ１＝３． ０８３ｋｇ，沖擊桿質(zhì)量ｍ２＝６．５ｋｇ。為了研究焊接組配、 沖擊速度及焊縫不同區(qū)域?qū)附咏宇^

分別以1020℃保溫30min后空冷和爐冷得到的ta15合金為原材料,對其進(jìn)行等溫恒應(yīng)變速率壓縮試驗(yàn),研究了溫度800～950℃、應(yīng)變速率0.001～1s-1、真應(yīng)變0.51～1.20時(shí),不同原始α片層厚度對ta15合金動(dòng)態(tài)球化行為的影響。結(jié)果表明:真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)出明顯的流動(dòng)軟化,峰值應(yīng)力和流動(dòng)軟化率對α片層厚度的依賴程度較小。當(dāng)熱變形參數(shù)相同時(shí),細(xì)片狀比粗片狀組織更容易發(fā)生動(dòng)態(tài)球化,這與其在試驗(yàn)范圍內(nèi)測得的變形激活能分別為597kj/mol和650kj/mol是一致的。ta15合金中片狀α除了形成低和高角度界面及強(qiáng)烈的局部剪切帶導(dǎo)致動(dòng)態(tài)球化外,還有動(dòng)態(tài)再結(jié)晶等其它方式。

采用雙懸臂夾層梁試樣,對橡膠—鋼粘接界面的i型邊緣裂紋的擴(kuò)展情況及斷裂韌性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究.通過聲發(fā)射技術(shù)的監(jiān)測將裂紋擴(kuò)展劃分為無損傷、開裂、失穩(wěn)擴(kuò)展三個(gè)階段,把線彈性斷裂力學(xué)中的柔度和能量釋放率引入到橡膠—鋼粘接界面斷裂韌性的計(jì)算中,由實(shí)驗(yàn)測出裂紋的張開位移計(jì)算出夾層梁的柔度曲線,進(jìn)而得到了能量釋放率曲線,并對斷裂韌性的變化規(guī)律進(jìn)行了分析.

采用大規(guī)模并行計(jì)算進(jìn)行鈦合金中片層組織生長相場模型的數(shù)值模擬.針對allen-cahn和cahn-hilliard等相場模擬方程,在均勻網(wǎng)格上采用時(shí)域有限差分顯式時(shí)間步進(jìn)和算子分裂的數(shù)值算法.基于消息傳遞接口(mpi)實(shí)現(xiàn)三維區(qū)域分解和計(jì)算與通信重疊的并行算法.在深騰7000上通過測試,顯示程序具有良好的可擴(kuò)展性.在10243計(jì)算網(wǎng)格上使用4096核的并行效率達(dá)到94.2%,每個(gè)時(shí)間步耗時(shí)約0.2s.