Ti40阻燃钛合金热变形的开裂预测(英文)

Ti40阻燃钛合金热变形困难且容易发生开裂。因此,研究该合金在不失效的情况下实现预期的变形就显得非常重要。本研究采用韧性断裂准则和有限元模拟相结合的方法,对Ti40合金热变形过程进行开裂预测。通过圆柱试样不同温度和应变速率的压缩模拟试验,发现在一定的变形条件下该合金会发生纵向开裂和剪切开裂。随后的有限元模拟获得了变形试样各个区间的应力-应变分布情况及演变过程,这被用来评价6种已有的韧性断裂准则对Ti40合金高温变形的初始开裂位置及损伤值预测的准确性。研究结果表明,只有Oyane韧性断裂准则能准确地预测试验范围内所有条件的Ti40合金的初始开裂位置和临界开裂值。

阻燃钛合金Ti40的热加工与力学性能研究

研究了 Ti40 ( Ti- 2 5 V- 1 5 Cr- 0 .4Si)阻燃钛合金的热加工与力学性能的关系 ,运用扫描电镜( SEM)及能量散射谱仪 ( EDS)对其热压、室温及高温拉伸、热稳定及蠕变断口进行了形貌观察与微区成分定量分析。结果表明 ,多向大变形加工有利于 Ti40合金组织均匀性及力学性能的提高 ;Ti40合金具有一定的耐热性 ,且在不同试验条件下呈现不同的断裂特征 ;断口上存在的 Fe、C、O、S等杂质元素是导致合金过早断裂的内在原因 。

基于Zener-Hollomon因子的Ti40阻燃合金开裂准则研究

采用热模拟压缩试验与有限元分析相结合的方法，对Ti40阻燃合金在温度900～1100℃、应变速率0．01-10s^-1范围内的热变形开裂问题进行了研究。发现Ti40合金的临界开裂变形量目随变形温度和应变速率的变化规律可用一个单变量Zener-Hollomon因子表示，并与1nZ成线性关系。在此基础上，运用冷成形过程广泛采用的Oyane准则对Ti40合金的开裂行为进行了分析。发现Oyane准则能够准确地预测Ti40合金压缩过程中开裂发生在最大臌肚的外表面处，且开裂的临界Cf值随变形温度升高和应变速率降低而增加，与1nZ也成线性关系。由此得到的Ti40合金高温变形下的开裂准则能够更直观地反映变形参数与开裂的临界Cf值之间的关系，为成功地预测Ti40合金高温变形时的开裂提供了有力的依据。

高度稳定化β型阻燃钛合金Ti40的氧化和氧化层剥落机理

对高度稳定化β型阻燃钛合金 Ti40的氧化机理和氧化层剥落机理进行研究表明 :合金氧化增重随温度升高明显增加 ,至 10 5 0℃反而降低 ;6 0 0℃的氧化膜主要为 Ti O2 和 V2 O5 ,高于 70 0℃氧化 ,因 V2 O5 的挥发 ,氧化膜主要为 Ti O2 ,随温度升高 ,氧化物晶粒粗化 ,氧化膜疏松多孔 ,与基体黏附性降低 ,不低于 90 0℃时开裂和剥落 ,不低于 80 0℃氧化 ,氧化层疏松处还存在 Si O化合物 ,温度升高 ,Si O数量增多 ,由圆球形变为星形 ,至 10 5 0℃随氧化层剥落而消失 ;剥落后的基体氧化层仍为疏松状 ,有不连续分布的 Cr2 O3膜存在。同时还分析了 Ti40合金不抗氧化的原因及氧化机理 ,提出了氧化机理模型。在分析氧化膜内应力产生及内应力释放机制基础上 ,提出了 Ti40合金氧化层开裂、剥落机理。

Ti40阻燃钛合金的基础研究

阻燃钛合金具有重要的应用前景,Ti40合金是我国研制的新型阻燃钛合金。重点综述Ti40合金的基础理论研究结果,如变形机理、氧化机理、阻燃机理等。

Ti40合金的阻燃性能及其阻燃机理分析

采用ＤＣＳＢ法和金属液滴实验法评价Ｔｉ４０阻燃钛合金的阻燃行为，并初步分析影响钛合金抗燃烧的因素和阻燃机理。结果表明：Ｔｉ４０合金具有良好的阻燃性能；低熔点，高热导率和单一稳定β组织的钛合金具有良好的阻燃性能；推导出合金抗燃能力的表达式，该表达式表明抗燃能力还与实验条件和试样尺寸有关；提出了阻止燃烧的快速散热机理和中断氧输送机理。

高度稳定化β型Ti40阻燃钛合金的动态再结晶行为

采用热压缩试验方法,对高度稳定化的β型Ti40阻燃钛合金的动态再结晶行为进行了研究。结果表明,Ti40合金的动态再结晶形核机制为亚晶形核、晶界弓出形核和位错塞积形核等多种机制;Ti40合金高温塑性变形后,空冷及850℃退火的再结晶晶粒呈现混晶现象;1000℃退火,再结晶晶粒充分长大,是完全再结晶的结构特征。

热处理对Ti40阻燃钛合金热稳定性能的影响

针对Ti40合金,设计了5种热处理工艺,并将5种工艺归为3类:中温退火、高温淬火+预时效+时效及高温退火+中温退火+时效。分别测试了Ti40合金在3类热处理工艺下的室温力学性能及500℃、550℃热暴露100h的热稳定性能,并分析了合金的微观组织。结果表明,不同的热处理工艺下,合金室温力学性能相差不大,而热稳定性能变化较大;直接中低温退火后合金的热稳定性能最好,其原因主要是由于中低温退火后,合金组织中保留一部分锻造的高密度位错等缺陷,并且晶界曲折不平,这使得在热暴露过程中,单位晶界析出物的数量减少,弱化了晶界析出物对合金热稳定性能的不利影响。

Ti40阻燃合金粗晶超塑性变形行为及机理

借助OM、TEM研究了高温条件下Ti40阻燃合金的粗晶超塑性变形行为及机理。结果表明:在920℃下,应变速率为5×10-5～1×10-2s-1的Ti40合金表现出良好的超塑性行为,拉伸延伸率均超过250%,应变速率敏感指数m大于0.3。超塑变形后,粗大的等轴组织细化。TEM分析表明,在变形过程中,位错运动形成亚晶界,亚晶界通过吸收滑移位错形成小角度晶界甚至大角度晶界。Ti40合金的粗晶超塑性是由动态回复和再结晶共同作用的结果。

Ti40合金550℃热暴露组织和性能演化规律的分析与讨论

对Ti40合金锻态和热处理态在550℃热暴露不同时间的组织和性能进行了研究。结果表明:该合金在热暴露过程中析出物较少,并且大都分布在晶界,这些晶界析出物是合金热稳定性能降低的主要原因;通过组织模拟和分析,对Ti40合金550℃热暴露组织和性能划分了3个阶段,每个阶段对应析出物不同的形成和长大阶段;热暴露末期,出现性能的不稳定和与硬度不匹配的主要原因是析出物沿晶界形成析出物带;最后指出,Ti40合金要使用到更高温度,适当调整合金目前的热处理工艺和成分是可行的方法。

550℃热暴露对Ti40阻燃钛合金力学性能的影响

对Ti40合金锻态、热处理态、550℃热暴露不同时间的组织和性能进行了研究。结果表明,该合金在热暴露过程中析出物较少,并且主要分布在晶界,这些晶界析出物是合金热稳定性能降低的主要原因。通过系统分析合金组织和力学性能,认为可以将Ti40合金550℃热暴露过程划分为3个阶段,分别是析出物萌生阶段、析出物长大阶段和析出物在晶界连成析出物带阶段,每个阶段对应的力学性能是由析出物形态决定的。在热暴露末期,出现性能不稳定和硬度与强度不匹配的主要原因是析出物沿晶界形成了完整的析出物带。

钒和铬对Ti40阻燃钛合金力学性能的影响机制

以Ti40合金为基础,配制4种不同V和Cr含量的合金,测试其在锻造、热处理、热暴露和蠕变条件下的相关力学性能,并观察其组织。结果表明:合金元素V和Cr对Ti40合金室温力学性能、蠕变行为和组织的影响具有相似性,即随V和Cr含量的降低,合金室温综合力学性能变化不明显、抗蠕变能力减弱、组织粗化;这与V和Cr同属于β稳定元素、且原子半径都小于Ti原子有关;而V和Cr对于热稳定性能的影响则完全相反,V含量的增加或Cr含量的降低合金热稳定性能优化,其主要原因可能与V属于同晶型β稳定元素而Cr属于共析型β稳定元素有关。

不同温度下Ti40合金的疲劳裂纹扩展行为

研究了Ti40合金在室温、300、500和600℃下的疲劳裂纹扩展行为,计算了Ti40合金在300、500、600℃下当△K为20MPam1/2时与裂纹扩展密切相关的表观激活能。结果表明:随温度升高,Ti40合金疲劳裂纹扩展速率增加;不同温度下的疲劳裂纹扩展曲线在△K为45.50MPam1/2处相交于一点。表观激活能值随温度升高先增加后减小,在500℃时达到最大,由此可见,500℃是Ti40合金热力学等性质发生变化的转折点。

Ti40合金热稳定性的研究

研究了Ti40阻燃β钛合金的热稳定性。结果表明 ,仅固溶处理的Ti40合金具有良好的强度和塑性配合 ,其热稳定性相对较好 ;固溶并时效处理合金的热稳定性较差 ,且时效温度越高 ,合金的热稳定性也越差。热暴露温度越高 ,合金的热稳定性能越差。

基于模糊神经网络的Ti40合金高温本构关系模型

采用Gleeble1500热模拟实验机对Ti40合金在变形温度900～1100℃,应变速率0.01～10s-1,最大变形程度约60%的条件下的高温流动应力变化规律进行研究。针对该合金高温变形过程中复杂的流变行为,以实验所得数据为基础,基于模糊神经网络方法建立该合金的高温本构关系模型,并与实验结果进行对比。结果表明:基于模糊神经网络建立Ti40合金的高温本构关系模型是切实可行的,模型的精度较高,最大误差为8.14%,不超过10%,可以很好地描述Ti40合金在高温变形时各热力学参数之间高度非线性的复杂关系,弥补传统回归模型不能反映变形全过程的局限性,是一种便捷、有效的具有广泛应用前景的表征工程材料本构关系的方法。

典型热处理工艺对Ti40合金力学性能匹配关系

研究了2种典型的热处理工艺(1#,600℃,4hAC;2#,850℃,1hWQ+550℃,6hAC)条件下Ti40合金的组织、室温拉伸性能、热稳定性能和蠕变性能。结果表明,2种工艺热处理后微观组织的差异主要在于晶界的影响,1#工艺热处理后合金保留锻造后的弯曲晶界,2#工艺热处理后微观组织的晶界清晰平直。对力学性能的测试结果表明,2种组织对室温拉伸性能影响不大。相对于平直晶界,弯曲晶界有较好的热稳定性能和较低温度的蠕变性能,而平直晶界高温蠕变性能好。

中低温退火处理工艺下Ti40合金高温蠕变机制的研究(Ⅰ)——蠕变本构关系

对Ti40合金环材进行600℃,4h退火处理,并测试合金在500～550℃温度范围不同应力下蠕变性能。结果表明,Ti40合金在500～550℃的温度范围的蠕变行为应该分为两个区间,区间Ⅰ为500～520℃温度范围;区间Ⅱ为535～550℃温度范围,在两个温度区间内蠕变本构方程不同。分析认为,在低温区(500～520℃)应力对位错的滑移影响较大,热激活控制的位错攀移控制稳态蠕变变形;当温度升高时,扩散对蠕变变形的贡献越来越大,在高温区(535～550℃),合金的蠕变可能受自扩散或合金元素的扩散控制。

阻燃钛合金Ti40的热物理性能及力学性能

作为一种功能性钛合金,Ti40阻燃钛合金的热物理性能数据首次被报道。采用真空自耗电弧熔炼技术制备的Ti40合金铸锭成分均匀,利用热挤压开坯+包套保护锻造方法制备的板坯组织均匀。性能测试结果表明:Ti40合金的室温抗拉强度为950 MPa级,且在500℃下具有良好的热暴露性能、高温蠕变性能和高温持久性能。在室温到600℃范围内,合金的杨氏模量和剪切模量随着温度的升高呈线性下降,泊松比随着温度升高而缓慢增加;线性热膨胀曲线随着温度升高呈抛物线增加,平均线膨胀系数随着温度的升高呈线性增加。

Ti40阻燃钛合金的高温蠕变行为

计算了Ti40合金在不同应力、不同温度下的稳态蠕变速率、应力指数及在460℃～540℃范围内蠕变激活能Q=94.0kJ/mol,并在此基础上研究了其蠕变强化机制。实验结果表明:该合金在此温度范围内的蠕变受位错和扩散双重机制控制,晶界移动对蠕变也有一定的贡献。在目前实验条件下,Ti40合金在620℃蠕变性能较差。

应用人工神经网络构造Ti40合金加工图(英文)

以Gleeble-1500热模拟试验机获得的Ti40钛合金压缩试验数据为基础,应用人工神经网络对数据进行训练和预测,建立该合金的高温流动应力与应变、应变速率和温度对应关系的预测模型,其中,应变、应变速率(对数形式)和变形温度作为模型的输入参数,流动应力作为模型的输出参数。结果发现,运用BP反向传播算法进行训练的神经网络模型具有良好的预测功能,其预测值与实验测量值基本吻合。同时,采用神经网络模型预测的数据构造Ti40合金的加工图,其安全区和失稳区的范围与实测数据获得的加工图基本相符,并对各自区域的相应组织状态进行金相观察。