置氢对Ti6Al4V合金组织演变的影响及β-Ti中刃型位错的分子动力学模拟

论文摘要

钛合金的氢处理技术是一种很有潜力的热加工技术。它是通过氢元素的可逆合金化作用,改善钛合金的微观组织,从而有效地提高钛合金的加工性能和使用性能。氢处理技术将推动钛合金在国防工业和国民建设中的应用。本文通过金相观察、X射线衍射分析、透射电镜观察等实验手段,对不同温度下置氢的Ti6A14V合金的室温组织进行对比观察。通过硬度测试,分析了置氢对α相和β相的显微硬度以及合金宏观硬度的影响。利用电子探针研究了置氢对合金元素扩散的影响。这些研究成果对深入研究Ti6A14V合金置氢后的加工改性机理并最终改善其综合性能具有一定的参考价值。另外,利用分子动力学对β-Ti中的刃型位错进行了模拟和计算。研究表明：750℃置氢后的组织中存在马氏体α″；氢含量超过0.278%后,在β相中发现了fcc结构的片状氢化物δ及大量的位错和孪晶；随着氢含量的增加,α和β两相的显微硬度均增加,并且β相的硬度增幅较大于α相；固溶强化和元素扩散是导致α相的硬度随氢含量增加而增加的主要因素,而β相的硬度随着氢含量的增加而增加是氢化物δ、晶格缺陷、固溶强化和元素扩散这四种因素共同作用的结果。850℃置氢后的组织变化明显,置氢量在0.3%左右时为网篮组织,置氢量在0.5%左右时为魏氏组织；在该温度下置氢后,δ不仅可以在β相内析出,还可以在α相内析出,并且遵从特定的位相关系；置氢可以提高Ti6A14V合金的宏观硬度,这是固溶强化、氢化物析出、氢与位错的相互作用,及马氏体转变综合作用的结果。利用嵌入原子法与分子动力学模拟方法,从原子尺度模拟了β-Ti中刃型位错芯区的结构,计算了弛豫后位错区域内每一个原子的能量和位置,确定位错芯区半径rc=5.8847A。位错芯区的畸变能为Ecore=1.598×108eV/cm。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 钛及钛合金概述
• 1.2.1 钛及钛合金的基本性质
• 1.2.2 钛的冶金学
• 1.2.3 钛合金分类
• 1.2.4 合金元素及其影响
• 1.3 钛合金研究现状及发展方向
• 1.3.1 钛合金的研究现状
• 1.3.2 钛合金的发展方向
• 1.4 氢在钛合金中的影响
• 1.4.1 氢在钛合金中的存在机制
• 1.4.2 氢对组织转变的影响
• 1.4.3 氢对钛合金性能的影响
• 1.4.4 热氢处理工艺
• 1.5 Ti6Al4V合金概述
• 1.5.1 合金元素的影响
• 1.5.2 置氢Ti6Al4V合金研究现状
• 1.6 本文研究目的和意义
• 第二章 实验材料与方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 置氢工艺
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 金相法
• 2.3.2 X射线衍射法
• 2.3.3 透射电镜分析
• 2.3.4 电子探针分析
• 2.3.5 硬度测试
• 第三章 置氢Ti6Al4V合金的组织演变与分析
• 3.1 750℃置氢Ti6Al4V合金
• 3.1.1 金相观察
• 3.1.2 X射线衍射分析
• 3.1.3 TEM微观组织分析
• 3.1.4 显微硬度测试
• 3.1.5 电子探针分析
• 3.2 850℃置氢Ti6Al4V合金
• 3.2.1 金相观察
• 3.2.2 X射线衍射分析
• 3.2.3 TEM微观组织分析
• 3.2.4 宏观硬度测试
• 3.3 实验结果比较
• 3.3.1 不同置氢温度得到的组织比较
• 3.3.2 不同冷却方式得到的组织比较
• 3.4 氢化物δ形成机制的讨论
• 3.5 小结
• 第四章 β-Ti中刃型位错的分子动力学模拟
• 4.1 引言
• 4.2 分子动力学模拟概述
• 4.2.1 基本原理
• 4.2.2 势函数
• 4.2.3 系综
• 4.2.5 有限差分算法
• 4.2.6 边界条件
• 4.3 模拟过程
• 4.3.1 计算模型
• 4.3.2 原子间作用势
• 4.3.3 边界条件
• 4.4 模拟结果
• 4.4.1 位错结构
• 4.4.2 位错应变能
• 4.5 小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢