TC6鈦合金的相變與熱變形行為.pdf

1、鈦合金具有高比強(qiáng)度、耐蝕性和優(yōu)良的高溫性能等優(yōu)異的特點，成為繼鋼和鋁之后的第三大金屬材料。許多研究仍然在致力于改善其性能。鈦合金被廣泛應(yīng)用于航空航天，船舶制造等領(lǐng)域。TC6合金是一種能夠在450℃長期使用的雙相(α+β)型鈦合金，具有良好的高溫強(qiáng)度。鈦合金的使用性能由組織結(jié)構(gòu)所決定，而組織結(jié)構(gòu)取決于合金的成分、熱加工和熱處理手段。
　　長期以來，針對TC6合金組織和性能的研究工作主要集中在工藝試驗上，針對TC6合金的熱加工和熱處理

2、時的相變理論方面的研究仍顯不足。而通過對相變理論研究，控制合金的組織結(jié)構(gòu)，從而根據(jù)使用目的設(shè)計合理的熱加工或熱處理工藝已經(jīng)成為材料研究和應(yīng)用的主要思路。因此本文研究TC6合金的等溫相變行為和熱加工行為，建立TC6合金等溫相變模型和熱加工過程中的本構(gòu)方程，根據(jù)等溫相變行為的研究結(jié)果，設(shè)計并實施雙重?zé)崽幚砉に囈杂行У目刂芓C6合金的組織結(jié)構(gòu)，為合金的熱加工或熱處理工藝提供理論依據(jù)。
　　根據(jù)本文的研究目的，提出本文的研究內(nèi)容。本文主要

3、進(jìn)行三方面的研究，首先是TC6合金的等溫相變行為研究。此部分研究利用熱力學(xué)計算獲得合金相圖，以及溫度對各相元素分布的影響。利用金相法測定合金的β轉(zhuǎn)變溫度。設(shè)計實驗研究在β相變點以下不同溫度時，TC6合金的等溫相變行為。建立各個溫度的等溫相變動力學(xué)模型。
　　本文研究內(nèi)容的第二部分為TC6合金組織結(jié)構(gòu)設(shè)計。根據(jù)等溫相變行為的研究結(jié)果，設(shè)計并實施雙重?zé)崽幚砉に?。通過對金相組織的定量分析，獲得熱處理工藝參數(shù)對TC6合金中α相和β相的復(fù)合

4、結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。
　　本文研究內(nèi)容的第三部分為TC6合金熱變形行為研究。設(shè)計并實施不同溫度和不同應(yīng)變速率下的熱壓縮實驗。通過實驗結(jié)果的分析獲得TC6合金的軟化行為。利用阿累尼烏斯方程進(jìn)行熱壓縮過程中動力學(xué)分析。進(jìn)一步建立流變應(yīng)力與應(yīng)變量、應(yīng)變速率和變形溫度的本構(gòu)方程并與實驗結(jié)果進(jìn)行對比。
　　利用軟件模擬、熱處理實驗、熱壓縮實驗、光學(xué)金相等多種計算和實驗手段，本文獲得了大量研究成果。
　　本文通過實驗測得研究所使用的T

5、C6合金的β相變點為985℃。通過熱力學(xué)計算研究了對合金中各相隨溫度相變的各項基本熱力學(xué)參數(shù)。利用相圖計算獲得了溫度對各相元素的影響。由相圖模擬獲了溫度對各相元素的影響。當(dāng)保溫溫度高于β相變點時，合金將會出現(xiàn)層片狀的α相組織。而低于β相變點時，始終有一部分初生α相保持不變，通過熱力學(xué)和動力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)α相含量隨著溫度升高逐漸減少，而β相含量相反。當(dāng)溫度高于750℃時，相轉(zhuǎn)變速度較快。如果在α+β兩相區(qū)長期保溫，α相尺寸將會增大，但含量持續(xù)

6、減少直至達(dá)到相轉(zhuǎn)變平衡點。本文研究了750℃到β相變點之間合金的等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)，通過微觀組織定量分析測得相轉(zhuǎn)變平衡時間。研究結(jié)果表明750℃、800℃、850℃、900℃、950℃時相轉(zhuǎn)變平衡時間分別為180min、150min、125min、90min和80min。建立了各個溫度的等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)模型，繪制了TC6合金的TTT曲線。
　　根據(jù)等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)的研究結(jié)果，本文進(jìn)一步設(shè)計并實施了兩相區(qū)雙重?zé)崽幚砉に?，定量分析TC6合金在

7、不同熱處理工藝下α相和β相的含量和形態(tài)。研究結(jié)果表明兩相區(qū)雙重?zé)崽幚砉に嚹軌蛴行У恼{(diào)節(jié)TC6合金中α相的含量和形態(tài)以及β相的含量。通過第一次熱處理能夠有效的控制初生α相的含量。隨著一次熱處理溫度的升高，初生α相含量逐漸減少，且減少的趨勢隨著溫度升高而加快。二次熱處理溫度和時間能夠進(jìn)一步影響等軸α相含量，經(jīng)過二次熱處理后，等軸α相含量有所升高。二次熱處理還可以有效調(diào)節(jié)次生的條狀α相和β相的含量。通過雙重?zé)崽幚韺Ω飨嗟恼{(diào)節(jié)，能夠達(dá)到根據(jù)應(yīng)用

8、需求制定不同熱處理工藝的目的。
　　本文還通過熱壓縮實驗研究了TC6合金的熱變形。熱壓縮實驗的變形溫度從750℃到900℃之間，每50℃為一間隔。應(yīng)變速率分別為0.001s-1，1s-1，0.1s-1。應(yīng)變量為40％。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),流變應(yīng)力與變形溫度成反比例關(guān)系而與流變速率成正比例關(guān)系。存在一個臨界應(yīng)變，此時流變應(yīng)力達(dá)到峰值。當(dāng)應(yīng)變增加，流變應(yīng)力降低。隨著應(yīng)變速率增加，流變應(yīng)力從峰值達(dá)到穩(wěn)態(tài)的臨界應(yīng)變也增加。據(jù)此研究了TC6合金的

9、軟化行為。此外，進(jìn)行了TC6鈦合金的等溫壓縮試驗。計算了900℃時流變應(yīng)力的穩(wěn)定值，該溫度范圍內(nèi)其對應(yīng)變速率非常敏感。TC6鈦合金的峰值應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)應(yīng)力受等溫變形溫度和應(yīng)變速率的影響很大。當(dāng)變形溫度上升與應(yīng)變率降低時，峰值應(yīng)力和穩(wěn)定壓力下降。在α+β相區(qū)的表觀活化能估算約為414.86千焦/摩爾。通過阿侖尼烏斯方程建立了流變應(yīng)力與應(yīng)變量、應(yīng)變速率和變形溫度的本構(gòu)方程。計算結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)之間的誤差合理，計算和實驗所獲得的流變應(yīng)力之間的平均差