Ti53311S、TP650和Zr-4合金热加工性的研究

论文摘要

对合金热加工性的研究是合理制定热加工工艺,有效控制合金组织性能从而提高制品质量的重要依据。本文通过对近α钛合金Ti53311S,颗粒增强钛基复合材料TP650和Zr-4合金在较宽范围进行热压缩试验,全面、系统的研究了该三种合金的高温变形行为,利用数值模拟计算本构关系并建立流变模型,求出变形激活能,确定了该三种合金试验变形条件范围内流变应力与应变、应变速率及变形温度之间的关系;运用光学显微镜、透射电镜分析该三种合金的微观组织,研究变形温度、变形速率、变形程度对其组织的影响,并分析其变形机理,建立加工参数与显微组织演变的对应关系;运用系统稳定性分析原理,基于动态材料模型（DMM）构造出近α钛合金Ti53311S,颗粒增强钛基复合材料TP650和Zr-4合金的热加工图,结合高温变形组织对加工图进行综合分析,深入研究其热加工性并制定最优的热加工工艺参数,研究出最有利于材料变形的稳定加工区域,为工艺制定的一般原则和可行工艺参数范围的选择提供了理论依据。最后基于上述Ti53311S,TP650和Zr-4合金的变形机理分析和加工图建立了该三种合金的热变形机理图,来探明其加工参数和变形组织的关系,为该三种合金热加工工艺参数的选择、组织控制和性能优化提供理论指导,及以后类似钛、锆合金的加工提供理论参考。主要研究结果如下:根据Ti53311S、TP650和Zr-4合金的热变形特征分别采用幂指数和双曲正弦函数本构关系求得Ti53311S合金在相变点之下和相变点之上变形激活能（Q）的值分别为507和241KJ/mol,TP650合金在相变点之下和相变点之上变形激活能（Q）的值分别为691KJ/mol和202KJ/mol,Zr-4合金的变形激活能为387KJ/mol。并首次建立了Ti53311S、TP650、Zr-4合金的流变应力模型,拟和精度较高,Ti53311S合金对应变速率较为敏感。在两相区低应变速率0.001s-1加工可以得到细小均匀的超塑性等轴组织,而中等应变速率0.1～1s-1变形时,可以得到具有良好的塑性和疲劳性能的球化组织,随变形程度增加,其球化程度增加。在高温两相区980℃低应变速率0.001-0.1s-1变形时主要发生了动态再结晶,而且再结晶核心的形成与位错的重新分布和再结晶前的多边形化形成亚晶有关;而在相变点之上,由刃位错的攀移、螺位错的交滑移控制的动态回复是Ti53311S合金的主要软化机理。TP650合金在900～980℃,应变速率为0.001～0.01-1的区域,主要发生了超塑性。应变速率0.01-10s-1变形时发生了动态再结晶以及部分α相球化,其中α相的再结晶主要与亚晶的形成、转动和聚合成核有关。TiC颗粒的加入对界面有钉扎和拖曳作用,因此有利于位错胞结构的形成和稳定基体中的细晶及亚晶。而在相变点之上,低应变速率0.001s-1时主要的软化机理为动态回复,应变速率为0.01-10s-1软化机理主要为动态再结晶。高温β区域TP650合金的变形特征主要由钛基体决定。Zr-4合金在α相区和低温α+β相区变形都发生了α-Zr为主的完全动态再结晶,形核机制为晶间弓出形核,晶界沉淀析出相Zr（CrFe）2,阻碍界面迁移,引起界面弯曲,对Zr-4合金再结晶形核非常有利。而高温α+β相区,应变速率对其变形机理有重要影响,低应变速率0.005-0.05s-1变形时,主要为β转变组织覆盖的粗大晶粒,软化机理无法判断,而当应变速率升高到0.5s-1时,则发生晶内再结晶。变形机理和加工图的研究表明在Zr-4合金加工过程中,为形成均匀的组织,应避免在高应变速率成形。对Ti53311S和TP650合金的研究表明近α钛合金及其复合材料在两相区具有较宽的加工范围。而TP650合金由于TiC颗粒的加入对其晶界迁移有拖曳作用,影响基体中各滑移系的相互作用,使其再结晶区域较大。低温高应变速率变形容易形成绝热剪切带,由于钛合金的低热传导性,使高应变速率下变形热效应较为显著,塑性变形产生的热量传递不均造成局部温升过高在Ti53311S合金中发生相变剪切带。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 概述
• 1.1 引言
• 1.2 金属材料热变形行为的研究方法
• 1.3 金属材料热加工过程中的软化机制
• 1.3.1 动态回复
• 1.3.2 动态再结晶
• 1.4 热加工对近α钛合金材料组织、性能的影响
• 1.4.1 近α钛合金的介绍
• 1.4.2 近α钛合金的热变形行为
• 1.4.3 热加工对近α钛合金组织、性能的影响
• 1.5 热加工对钛基复合材料材料组织、性能的影响
• 1.5.1 钛基复合材料介绍
• 1.5.2 钛基复合材料的热变形行为
• 1.5.3 热加工对钛基复合材料组织、性能的影响
• 1.6 热加工对Zr合金组织、性能的影响
• 1.6.1 Zr合金热加工的研究现状
• 1.6.2 Zr合金的热变形行为
• 1.6.3 Zr合金热加工对组织、性能的影响
• 1.7 本研究工作的主要内容、目的和意义
• 第2章 Ti53311S、TP650和Zr-4合金的热变形行为研究
• 2.1 引言
• 2.2 试验材料及方法
• 2.2.1 试验材料
• 2.2.2 等温热压缩试验
• 2.3 Ti53311S合金的热变形行为
• 2.3.1 Ti53311S合金的流变应力曲线分析
• 2.3.2 Ti53311S合金的本构关系及变形激活能
• 2.3.3 Ti53311S合金的流变应力模型
• 2.4 TP650合金的热变形行为
• 2.4.1 TP650合金的流变应力曲线分析
• 2.4.2 锻态TP650合金的本构关系和变形激活能
• 2.4.3 锻态TP650合金的流变应力模型
• 2.5 Zr-4合金的热变形行为
• 2.5.1 Zr-4合金的流变应力曲线分析
• 2.5.2 Zr-4合金的本构关系和变形激活能
• 2.5.3 Zr-4合金的流变应力模型
• 2.6 Ti53311S、TP650、Zr-4合金的不连续屈服行为分析
• 2.7 本章小结
• 第3章 Ti3311STP650和Zr4合金在热加工过程中的组织演变
• 3.1 引言
• 3.2 试验方法
• 3.3 热加工对Ti53311S合金组织的影响
• 3.3.1 Ti53311S合金的球化组织
• 3.3.2 Ti53311S合金的再结晶组织
• 3.3.3 Ti53311S合金的动态回复组织
• 3.3.4 加工条件对Ti53311S合金组织的影响
• 3.4 热加工对TP650合金组织影响
• 3.4.1 TP650合金热变形前的组织
• 3.4.2 TP650合金在两相区的动态再结晶组织
• 3.4.3 TP650合金在β相区的动态再结晶组织
• 3.4.4 TP650合金在β相区的动态回复组织
• 3.4.5 加工条件对TP650合金组织的影响
• 3.5 热加工对Zr-4合金组织的影响
• 3.5.1 Zr-4合金的动态再结晶组织
• 3.5.2 Zr-4合金在高温α+β两相区变形的不均匀组织
• 3.5.3 加工条件对Zr-4合金组织的影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 Ti53311S、TP650、Zr-4合金的热加工图研究
• 4.1 引言
• 4.1.1 动力学模型
• 4.1.2 原子理论模型
• 4.1.3 动态材料模型加工图
• 4.1.4 塑性失稳判断准则
• 4.1.5 加工图的构造
• 4.1.6 加工图的应用
• 4.2 Ti53311S近α钛合金的热加工图
• 4.2.1 Ti53311S合金加工图的构建
• 4.2.2 Ti53311S合金加工图的分析
• 4.2.3 Ti53311S功率耗散区变形机理分析及试验验证
• 4.2.4 失稳区组织分析
• 4.2.5 Ti53311S合金热变形机理图
• 4.3 TP650钛基复合材料的热加工图
• 4.3.1 TP650合金加工图分析
• 4.3.2 TP650合金功率耗散区变形机理分析及试验验证
• 4.3.3 TP650合金失稳区变形机理分析
• 4.3.4 TP650合金的热变形机理图
• 4.4 Zr-4合金的热加工图
• 4.4.1 Zr-4合金热加工图分析
• 4.4.2 Zr-4合金功率耗散区变形机理分析
• 4.4.3 Zr-4合金失稳区变形机理分析
• 4.4.4 Zr-4合金的热变形机理图
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于加工图的Ti53311S合金热加工工艺及组织性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 生产工艺及实验方法
• 5.3 Ti53311S合金轧棒组织分析
• 5.4 Ti53311S合金轧棒的室温拉伸性能
• 5.5 Ti53311S合金轧棒的高温拉伸性能
• 5.6 Ti53311S合金轧棒的热稳定性能
• 5.7 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录:作者攻读博士学位期间发表的学术论文