激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的微纳压痕尺寸效应

目的研究不同状态激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的纳米压痕尺寸效应。方法对原始态合金分别进行600、700、800、900℃退火处理,利用扫描电子显微镜观察原始态和4种退火态合金的显微组织。基于纳米压痕技术测量原始态及4种退火态合金的纳米硬度和弹性模量。基于比例试样阻力模型、Nix-Gao模型和Meyer定律对纳米硬度进行函数拟合。结果随着退火温度的升高,原始态组织从魏氏体逐渐演变为网篮组织。5种形态的Ti-6Al-4V合金的硬度和弹性模量均出现随压入深度的增加而减小的现象,表现出典型的压痕尺寸效应,基于试验测得的原始态及4种退火态合金的纳米硬度分别为3.66、4.36、3.96、3.88、4.77 GPa,弹性模量分别为113.1、125.2、102.1、100.3、108.7 GPa;基于比例试样阻力模型计算的纳米硬度分别为3.53、4.34、3.92、3.52、4.04 GPa;基于Nix-Gao模型计算的纳米硬度分别为3.68、3.94、4.07、3.85、4.47 GPa;基于Meyer定律拟合出的迈耶指数分别为1.75、1.86、1.82、1.80、1.81,均小于2,均表现为正压痕尺寸效应。结论激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的硬度及弹性模量均有典型的压痕尺寸效应;3种模型均能较好地描述原始态和退火态合金的压痕尺寸效应,Nix-Gao模型直接建立了纳米硬度和压痕深度的关系,其拟合结果更接近于试验结果,计算的硬度值也最为准确。

激光选区熔化Ti-6Al-4V合金纳米压痕尺寸效应分析

在微纳观尺度下分析纳米压痕的尺寸效应,可以为研究激光选区熔化合金材料的力学性能提供较为客观的试验依据。使用准静态法对激光选区熔化制备的原始态和退火态Ti-6Al-4V合金进行了纳米压痕试验,并根据Meyer模型和比例试样阻力模型对Ti-6Al-4V合金的载荷和接触深度进行了函数拟合。结果表明:最大载荷分别为200、300、400mN时,原始态合金的硬度分别为3.64、3.71、3.94GPa,退火态合金的硬度分别为7.48、7.43、6.84GPa;拟合结果表明原始态合金呈逆压痕尺寸效应(RISE),退火态合金呈正压痕尺寸效应(ISE);比例试样阻力模型在退火态可以很好地预测合金的硬度;晶界是否连续是原始态和退火态合金产生两种不同类型压痕尺寸效应的主要原因。

激光选区熔化Ti-6Al-4V合金纳米压痕蠕变研究

目的研究原始态和退火态激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的室温压痕蠕变特性。方法利用光学显微镜观察原始态和退火态激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的显微组织。基于纳米压痕技术结合恒载荷法,测量原始态和退火态合金在室温下的最大压痕深度、蠕变位移和蠕变速率敏感指数等压痕蠕变参数,并分析两种状态下合金的蠕变机理。结果原始态合金的显微组织几乎全为α相,退火态合金的显微组织为网篮组织。荷载分别为200、300、400 mN时,加载阶段原始态合金的最大压痕深度比退火态合金的最大压痕深度分别提高43%、42%、34%;保载阶段,原始态合金的蠕变位移比退火态合金的蠕变位移分别提高129%、128%、139%。原始态合金的蠕变速率敏感指数m值分别为0.054、0.050、0.046,退火态合金的m值分别为0.041、0.032、0.022,相同荷载下原始态的m值均大于退火态的m值。结论退火处理形成的网篮组织,使退火态合金的蠕变速率敏感指数m值降低,从而使其蠕变抗力增强。原始态和退火态激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的蠕变机理均为位错蠕变。

一种基于纳米压痕技术估算残余应力的计算模型

通过分析纳米压痕实验中压头的压入过程,推导了残余应力在此过程中所作的功,根据能量守恒原则,建立了压痕功和残余应力功之间的关系,并推导出了基于能量法的残余应力计算公式。使用此公式估算材料残余应力并与已有Suresh模型、Lee模型和X射线衍射法的结果进行比较,结果表明,在固定压头载荷或压痕深度的纳米压痕实验中,能量法模型计算结果大于Suresh模型、Lee模型的计算结果,随着压头载荷或压痕深度的增加,能量法的计算结果与Suresh模型、Lee模型的变化趋势基本一致。当固定压头载荷时,能量法计算结果的平均值约为实际施加应力值的1.5倍,使用能量法计算选区激光熔化Ti-6Al-4V合金铺粉面的残余应力,计算结果约为X射线衍射测量结果的1.5倍。