基于Arrhenius与机器学习的TC21钛合金本构模型研究

目的比较Arrhenius方程和机器学习方法在TC21钛合金本构模型建立中的优劣,为TC21钛合金在实际工程应用中的性能预测、优化设计和安全评估提供理论指导。方法通过使用Gleeble-3500热模拟机,获取了锻态TC21钛合金在不同温度和应变速率下的真实应力应变数据。基于实验结果,分别采用Arrhenius方法和支持向量机方法建立了相应的本构模型。相较于基于热力学原理的Arrhenius本构方程,采用支持向量机方法的本构模型更为先进。该模型能够从有限的数据中深入挖掘材料性能与温度、应变速率之间的复杂非线性关系,从而更准确地预测TC21钛合金在不同条件下的力学性能。为了全面评估这2种模型的预测准确性,计算了它们的模型相关系数和均方根误差。结果研究结果表明,基于机器学习的本构模型在预测TC21钛合金的应力应变行为方面展现出显著的优势。其相关系数高达0.9774,远高于Arrhenius模型的0.9317。在评估预测精度的均方根误差上,机器学习方法也表现出色,仅为5.49,相较于Arrhenius模型的20.67显著降低。结论利用机器学习方法建立的TC21钛合金本构模型具有更高的精度和可靠性。在实际工程应用中,这将为钛合金的性能预测、优化设计和安全评估提供更为准确的科学依据。

双重退火工艺对TC21钛合金板材组织和性能的影响

通过热轧的方式制备出TC21板材,并对TC21板材在经不同热处理制度处理后的抗拉强度、显微组织、延伸率和断面收缩率进行了检测,得出了双重退火制度对板材性能和组织的影响规律。TC21板材经900°C/1 h固溶处理,600°C/4 h时效处理后显微组织均匀,晶粒细小,均为α+β转变组织,此制度下的板材性能最优,抗拉强度达到1350 MPa,屈服强度达到1275 MPa,板材的延伸率变化不大,断面收缩率达到最大值32.6%。

TC21钛合金回转体部件激光冲击强化残余应力数值模拟研究

针对某型飞机机身用TC21钛合金回转体部件激光冲击强化残余应力分布问题,采用有限元数值模拟方法系统研究了搭接率、激光能量、冲击次数对其径向、周向及轴向残余应力分布的影响。研究结果表明,激光冲击强化对残余径向应力几乎无影响,仅对周向和轴向残余应力影响明显。低搭接率激光冲击下回转体芯部存在明显的应力集中,但会随着搭接率的增加而改善。激光冲击在回转体内部诱导的残余应力层深度对激光能量和搭接率不敏感,仅在提高冲击次数时出现一定的增加。TC21钛合金回转体部件最佳激光冲击强化工艺应选用50%搭接率和2次冲击,但激光能量需要根据部件的实际服役应力情况而定。

氢含量对TC21钛合金六角头螺栓冷镦成形及其显微组织和显微维氏硬度的影响

利用材料试验机对不同氢含量置氢TC21钛合金六角头螺栓进行了冷镦成形,利用金相显微镜和显微维氏硬度计等研究了冷镦六角头螺栓的显微组织和显微维氏硬度。研究发现,当氢含量为0.79wt.%时,仅在六角头螺栓头部的外表面产生裂纹。随着氢含量从0.79wt.%增加至0.91wt.%,六角头螺栓在冷镦成形过程中出现的裂纹逐渐增多。当氢含量为0.79wt.%、0.82wt.%和0.91wt.%时,不同氢含量置氢TC21钛合金冷镦六角头螺栓的显微组织形貌相似。β相的含量较高,α相的含量较少。随着氢含量的增加,β晶界逐渐变得模糊甚至消失,位错数量逐渐减少。随着氢含量的增加,TC21钛合金冷镦六角头螺栓各区的显微维氏硬度均呈逐渐增加的趋势。当氢含量相同时,TC21钛合金冷镦六角头螺栓4个区的显微维氏硬度变化规律相似。

TC21钛合金的动态力学性能及绝热剪切行为

利用分离式霍普金森压杆对TC21钛合金进行动态压缩实验,分析了其动态力学性能,并观察了其动态压缩后的组织,重点研究了绝热剪切带的演变过程。结果表明,TC21钛合金在动态压缩的过程中,随着应变率的增加,塑性变形阶段可以吸收更多的能量,微孔洞及微裂纹沿着绝热剪切带形成并且扩展长大,最终形成裂纹,导致剪切破坏。TC21钛合金在动态压缩中的变形过程主要以滑移的方式进行,所以在其真应力-真应变曲线中整体表现为硬化现象。TC21钛合金的绝热剪切带在宏观上呈一条明显的白色亮带,在微观组织上绝热剪切带内具有明显的流线状组织。

两步等温锻造内燃机用TC21钛合金力学性能分析

为了提高内燃机用TC21钛合金的结构性能,经多向等温锻造使原先铸态TC21钛合金内大尺寸片层组织变成了大量细小等轴组织,分析了马氏体TC21钛合金经过多向等温锻造后力学性能。研究结果表明:等温锻造坯料基体内存在许多尺寸接近的等轴晶,形成了由等轴晶构成的均匀坯料组织。对铸态TC21钛合金完成等温锻造可以显著提高其力学强度,屈服强度由731MPa增大到910MPa,拉伸强度由740MPa增大到950MPa,断裂伸长率由5%增大到16.8%。通过适当处理工艺形成马氏体组织来实现TC21钛合金的细晶强化效果。

两相区热处理对TC21钛合金显微结构的影响

采用金相显微镜和扫描电镜等手段,研究了固溶、固溶时效等热处理工艺对TC21钛合金显微组织的影响,确定了两相区热处理得到的显微组织,采用透射电镜、X射线衍射方法研究了TC21钛合金在两相区热处理的相组成。同时探讨了固溶温度、固溶时间、冷却方式以及时效处理对这种合金显微组织和相结构的作用。结果表明:在两相区进行热处理,均得到双态组织;相组成主要是α相、β相,并在TC21合金中发现含有少量金属化合物,如α2-Ti3Al相、B2相、Zr3Al、Si2Mo等;固溶温度影响了初生α相的体积分数和晶粒尺寸;固溶时间达到一定程度后,延长保温时间对显微组织没有明显影响;冷却速度影响β转变基体组织;时效也对β转变基体组织和次生α相有影响。

TC21钛合金的微观组织对力学性能的影响

研究了两相钛合金TC21关于两种不同微观组织(片状组织和网篮组织)的拉伸性能、断裂韧性和疲劳裂纹扩展性能。结果显示:片状组织相比网篮组织有相近的拉伸强度,但塑性较差;两者的韧性相差不大,但增韧机理不同;网篮组织在中低速扩展区的扩展速率和片状组织几乎相同,但在较高速扩展区显示略低的扩展速率;加载方向对两种组织的疲劳裂纹扩展速率基本无影响;和其他钛合金类似,TC21在Paris区存在转折。

TC21钛合金喷丸强化层微观组织结构及性能变化

采用透射电子显微镜、X射线衍射仪和纳米压痕仪对TC21钛合金表面喷丸强化层内的微观结构和纳米压痕力学性能进行了研究。结果表明,TC21钛合金表面经喷丸强化后,在表层形成一个弹塑性变形层。强化过程中由于密排六方晶体的基面、柱面和锥面滑移系的开动,造成位错密度升高,α相中位错形貌呈现网状;强化前纳米压痕硬度为3.2GPa,强化后为6.7GPa,提高1倍以上。在强化层内形成很高的宏观残余压应力,并且表现为由表面向里逐渐减少的梯度变化。强化层深度达到370μm。

TC21钛合金不同变形条件下的显微组织研究

在国内率先完成了新型八元系高强韧钛合金TC21的热模拟压缩变形实验,研究了TC21合金在β相区、(α+β)相区及相变点Tβ共8个温度点及0.01~50s-1等5个应变速率值条件下的单向热加工变形特性,重点对加工态金相组织、尤其是0.01s-1和50s-1条件下的组织进行了研究,结果发现,在试样的不同部位存在变形组织的不均匀现象,该合金在不同温度区域变形时分别发生重结晶和动态再结晶。重结晶导致晶粒粗化(约100~200μm),而动态再结晶致使晶粒细化(最小在1~2μm以下)。

TC21钛合金的高温动态拉伸力学行为

在应变速率为0.001～1270s-1、温度为298～1023K条件下对魏氏组织和双态组织的TC21钛合金进行拉伸试验,利用SEM对拉伸试样的断口进行观察。结果表明:TC21钛合金的拉伸力学行为存在显著的温度和应变速率相关性;当应变速率为0.001和0.05s-1的屈服应力—温度曲线存在转折点,且转折点温度随应变速率的增大而升高;当温度低于转折点温度时,相同氧含量的TC21钛合金和多晶纯钛的屈服应力具有相似的温度相关性;微观组织影响屈服应力的幅值和拉伸塑性的大小,但不影响屈服应力的温度相关性和应变速率相关性;除魏氏组织在室温0.001s-1时为穿晶和沿晶混合断裂外,其他工况下的魏氏组织和双态组织均为穿晶韧性断裂;TC21钛合金在拉伸变形过程中未出现绝热剪切带和形变孪晶。

激光快速成形TC21钛合金沉积态组织研究

分别采用光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射和显微硬度等测试手段,研究了激光快速成形高强高韧损伤容限型TC21钛合金的沉积态组织。结果表明:TC21沉积态有着粗大的沿沉积高度方向外延生长的原始β柱状晶,仅最后一层熔覆层顶部为较细小的β等轴晶。宏观上存在明暗两个组织区域,明区为针状马氏体区,位于最后十几层熔覆层,暗区为网篮组织区。结合成形过程传热和组织转变理论分析认为,网篮组织是由明区的初始快冷凝固的马氏体在成形过程中,经受再热循环的固溶时效作用转变而来。随着激光功率的增大,原始β柱状晶将粗化,暗区网篮组织中片状α亦将长大;明区硬度基本不变,暗区硬度略有下降。

TC21钛合金慢速冷却过程中的相组成及组织演化

采用X射线衍射、金相显微镜和扫描电镜研究了TC21合金自β相区慢速冷却过程中相组成及微观组织变化。结果表明:慢速冷却过程中,TC21合金主要的相转变为β→α,且有少量金属间化合物,如Ti2AlNb(O)相和Ti2AlNb(B2)相析出;以1℃/min速率冷却过程中,α相在晶界形核,并向晶内长大,晶粒内部没有形核,形成全片层组织,以5℃/min速率冷却过程中,晶界与晶内均形核,并竞争生长,形成有少量网篮状形貌的片层组织;冷却速率对合金室温态组织特征(α片层厚度、α集束大小、α片层体积分数)的影响很大,随着冷却速率的增大,α片层厚度、α集束、α片层体积分数均减小。

大厚度TC21钛合金电子束焊接试验

对56 mm厚TC21钛合金进行了电子束对接试验,对接头显微组织和力学性能进行了研究.结果表明,接头焊缝区组织形态以柱状β晶粒为基体,针状的马氏体弥散其中;热影响区从焊缝到母材分为三个区域,依次为等轴再结晶β晶粒区、片状和针状α相形成的魏氏组织区以及片状α相聚集长大的区域;熔合区内柱状晶与等轴晶联生.接头强度达到母材水平,断裂发生在母材内,接头厚度方向性能一致.接头塑性损失较大,只达到母材的50%左右.接头焊缝区硬度最高,其次是热影响区的等轴晶区和魏氏组织区,而热影响区内片状α相聚集长大的区域硬度值最低.

TC21钛合金β锻造大块α相研究

采用光学显微镜,电子探针能谱仪以及显微硬度测定等方法研究了TC21钛合金β锻造大块α相的组织特征,形成机理以及锻造加热温度和保温时间对它的影响。结果表明,合金中大块α相不仅在形态上与正常α条不同,而且在成分上也有一定的差异。组织中的大块α相数量和形成位置与加热温度和保温时间有关,随着加热温度的升高,晶界附近的大块α相数量减少,原始β晶粒内的大块α相数量增多;随着保温时间的延长,晶界上的大块α相数量增多,晶内的大块α相数量变化不大。

热处理对β相区形变热处理TC21钛合金锻件组织性能的影响

研究了不同热处理制度对β相区形变热处理的TC21钛合金锻件组织及性能的影响。试验结果表明:不同热处理制度对TC21钛合金等温锻件的组织性能有显著的影响。仅经形变热处理后的锻件显微组织不均匀,强度可高达1,400MPa,但塑性较低;经强韧化处理后的锻件显微组织为:层次感强、编织度较好的网篮组织,在获得较高强度的同时,塑性下降不多;经淬火时效处理后的锻件显微组织中的α相编织度较好,锻件强度、塑性获得较佳匹配;等温退火后锻件的显微组织为:α相尺寸合适、编织度较佳的网篮组织,但强度有所下降,塑性未有提高。淬火时效处理为推荐的较佳热处理制度。

TC21钛合金高温热变形行为研究

研究了不同热变形条件下TC21钛合金的流变应力行为和微观组织演变规律,分析了高温热变形行为模型及动态再结晶现象。结果表明,随变形温度的升高和热变形速率的降低,TC21钛合金在热变形过程中相变和变形同时发生,导致了热变形过程中的动态回复和再结晶现象。

喷丸强化与表面完整性对TC21钛合金疲劳性能的影响

研究了喷丸强化与表面完整性对TC21钛合金疲劳性能的影响规律。利用X射线应力仪、粗糙度仪、扫描电子显微镜、显微硬度计等分析了喷丸强化对TC21钛合金表面残余应力场、表面粗糙度、表面形态特征及表面加工硬化的影响作用,探讨了喷丸强化对TC21钛合金疲劳抗力的作用机制。结果表明:优化工艺参数下的喷丸强化能够显著提高TC21钛合金的疲劳抗力,然而并不是喷丸强度越高强化效果越好,而是存在着最佳的喷丸强化参数,此条件下可获得良好的表面完整性,因而疲劳抗力亦高。过高强度的喷丸处理破坏了钛合金的表面完整性,反而损害钛合金的抗疲劳性能。因此,在喷丸强化工艺参数选取时,不宜盲目地追求过高的喷丸强度,而忽视钛合金的表面完整性。

TC21钛合金的热加工行为研究进展

综述了高强高韧损伤容限型钛合金TC21的热加工行为研究进展。重点介绍了热加工及热处理工艺参数对TC21钛合金的相组成、显微组织与力学性能、损伤容限性能等方面的影响。指出TC21钛合金在国内某些领域已经得到了应用,但有待进一步研究与开发。

高温变形参量对TC21钛合金组织与性能的影响

在880～950℃和不同应变速率0.01～10 s^(-1)条件下,将TC21钛合金高温压缩变形至50%。研究高温变形参量对流动应力及微观组织的影响规律,建立了TC21合金的本构方程。结果表明:流变应力随变形温度的降低及应变速率的增大而升高,变形温度与应变速率对TC21钛合金显微组织的影响显著,应变速率越低,组织球化现象越明显。高温变形过程中,TC21钛合金的流变应力与Zener-Hollomon参数的指数形式呈线性关系。