等通道双转角挤压工业纯钛的剧烈塑性变形行为

针对难变形材料等通道转角挤压(ECAP)变形不均匀、表面易损伤开裂和模具内角磨损严重等问题,设计了一种新型等通道双转角挤压(ECDAP)工艺。采用Deform-3D软件对工业纯钛单道次ECDAP变形行为进行了三维有限元模拟,研究了坯料内部金属流动、挤压载荷、等效应变、平均应力、变形损伤以及模具应力的分布及变化规律,并将其与传统ECAP工艺进行对比。在此基础上,开展工业纯钛ECDAP工艺实验验证,对变形试样微观组织和力学性能进行了测试分析。结果表明,与传统ECAP相比,新型单道次ECDAP工艺实现了“一次挤压,两次剪切”的连续变形目的,可在保证坯料获得良好应变累积的前提下,降低工业纯钛挤压载荷,提高材料内部静水压力和变形均匀性,减小坯料变形损伤和模具内角磨损。单道次变形后,工业纯钛内部累积等效应变约为0.879,原始粗大晶粒受剧烈剪切发生明显细化,微观组织中存在大量的细小亚晶和一定数量的形变孪晶。同时,材料得到了显著强化,工业纯钛抗拉强度和显微硬度分别提升至433.7 MPa和174.1 HV,并表现出良好的塑韧性。

晶粒尺寸和温度对工业纯钛变形机制的影响

为了研究晶粒尺寸和加工温度对工业纯钛变形行为的影响,分别在室温和液氮温度下对平均晶粒尺寸为2、9、23和51μm的样品进行单轴拉伸实验,采用背散射电子衍射技术(EBSD)和透射电子显微镜技术(TEM)表征样品的显微组织和织构。结果表明,室温条件下位错滑移是主要的变形机制,而液氮温度下拉伸的样品中有丰富的变形孪晶被激活,其中包括{1012}拉伸孪晶、{1122}压缩孪晶和{1122}-{1012}二次孪晶。这揭示液氮温度条件下塑性变形模式从位错滑移到动态孪生的转变,这也是具有较大晶粒尺寸的样品在液氮温度下依然具有优异力学性能的主要原因。另外,还提出了一种改进的Hall-Petch关系式,可用于在液氮温度条件下定量表征平均晶粒尺寸和孪晶对工业纯钛拉伸屈服强度的影响。

工业纯钛摩擦螺柱焊接头组织与性能研究

为解决传统电弧螺柱焊焊接大直径(M≥12 mm)有色金属时焊缝合格率低、焊接工艺繁琐等问题,提出采用静龙门式搅拌摩擦焊设备配合专用螺柱焊工装对尺寸为M12、材质为TA2的工业纯钛螺柱与底板进行焊接。并对三组不同顶锻位移下的工业纯钛螺柱焊接头进行宏观形貌、显微组织、抗扭强度与显微硬度分析。结果表明,在顶锻位移较小的情况下,TA2螺柱焊接头焊缝中心出现孔洞缺陷,顶锻位移中等的情况下焊缝中心出现条状缺陷,而较大参数下接头焊合良好,未发现缺陷;顶锻位移为3 mm时接头抗扭强度最高,可达117 N·m;锻造变形组织使焊缝附近区域显微硬度明显升高。

工业纯钛高温拉伸性能及断口形貌

采用锻态工业纯钛TA1标准拉伸试样,利用Gleeble-1500D热模拟试验机进行高温拉伸试验,研究其高温拉伸性能;并用SEM观察并分析工业纯钛拉伸试样断口形貌及其形成机制。结果表明:随温度升高,工业纯钛的屈服强度和抗拉强度分别从最初的83.7和94.8 MPa减小到19.3和29.6 MPa;伸长率增大,在950和1000℃时分别达到峰值36.3%和28%。在882.5℃相变转变温度以下,纯钛表现为以微孔聚集型剪切断裂为特征的韧性断裂,随温度的升高,达到相变点882.5℃,纯钛发生同素异构转变,并伴随着塑性提高,以准解理方式断裂。

工业纯钛喷丸强化研究

采用 TEM结合 SEM和 XRD对工业纯钛喷丸强化后显微组织结构、断口形貌、残余应力进行分析 ,研究了影响疲劳性能的 3个因素即 :组织、应力、粗糙度。结果发现 :孪生是六方合金的塑性变形主要形式 ,喷丸强化表层形变组织由孪晶和变形带构成 ,表层孪晶间强烈交互作用 ,可造成显微损伤 ;表层残余应力在疲劳后发生明显松驰 ,有益贡献也相应的降低 ;表面粗糙度提高 。

工业纯钛的高温热氧化行为

采用原子力显微镜(AFM)、扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)研究工业纯钛经600、700和800℃热氧化后硬化层的形貌、粗糙度和相结构,分析热氧化过程中氧原子的扩散机制、渗氧层的形成和氧化膜的分层现象。结果表明:随着氧化时间的延长和温度的升高,硬化层表面粗糙度增大,氧化物颗粒迅速长大,主要物相为TiO2、Ti2O、Ti3O、Ti6O;钛的氧化过程是氧原子通过气相/氧化膜及氧化膜/金属基体的渗透过程;氧化膜随着氧化反应的加剧和自身的分解,其结构和性质发生变化而导致分层现象。

室温ECAP和冷轧复合变形工业纯钛的组织和性能

采用ECAP技术和常规冷轧复合变形工艺制备了高强度工业纯钛,研究了复合变形后试样的力学性能与显微组织的关系.结果表明,工业纯钛经室温单道次ECAP和冷轧复合变形后,晶粒被严重拉长,形成了明显的纤维状组织,试样的抗拉强度高达805 MPa;随着冷轧变形量的增大,变形组织的细化程度和均匀性提高,使试样的强度和塑性进一步提高.位错滑移和孪生是工业纯钛室温ECAP和冷轧复合变形的主要变形机制.

工业纯钛板材在冷轧和退火过程中的显微组织与织构演变（英文）

研究了工业纯钛板材在冷轧和退火过程中的显微组织与织构演变。电子背散射衍射结果表明,在冷轧条件下的塑性变形由孪生和滑移共同协调作用。当压下量小于40%时,其主要的塑性变形方式为形变孪生。在轧制过程中,同时产生了{1122}<1123>压缩孪晶和{1012}<1011>拉伸孪晶;而且,沿TD方向的织构强度随变形量增加逐渐增强。在退火过程中,随着退火时间的延长,小角度晶界缓慢减少而孪晶片层快速消失,沿TD方向的织构强度逐渐减弱。当退火时间延长至60 min时,压下量20%的样品已经完全再结晶。

高能喷丸表面纳米化对工业纯钛组织性能的影响

用高能振动喷丸法对工业纯钛进行了表面纳米化的研究。用X 射线衍射、光镜和透射电镜对表层变形层金相组织、晶粒尺寸、显微硬度进行分析。结果表明 ,具有密排六方晶体结构的工业纯钛经高能喷丸处理后 ,在表面可以形成具有一定厚度的纳米晶粒组织 ;随着高能喷丸时间的增加 ,表面层的晶粒尺寸变小 ,而表面硬度提高。

工业纯钛TA2室温蠕变第1阶段特性研究

研究了工业纯钛TA2室温下蠕变第1阶段的特性。结果表明,TA2材料室温下确实存在明显的蠕变现象,并且存在一个临界应力值,低于该临界值的TA2在室温下不会发生蠕变。TA2室温下蠕变第1阶段的规律为β蠕变。针对TA2材料室温下第1阶段的蠕变特性,本研究提出了一种新的β值与应力间的关系表达式:β=β0(σ-σc)m,其中σc为蠕变临界应力。并且得到室温下TA2的蠕变临界应力值为267.25MPa。

表面强化对工业纯钛显微组织的影响

工业纯钛经喷丸、滚压强化后 ,疲劳强度得到不同程度的提高。逐层TEM亚结构对比分析结果表明 :工业纯钛疲劳强度的提高和强化层组织中孪晶的形成有关 ;工业纯钛疲劳前后组织中主要是位错数量的变化 ,而强化试样疲劳前后组织结构既有位错、孪晶数量的变化 ,又有孪晶晶界、孪晶孪晶之间的交互作用 ;喷丸较滚压强化效果显著的部分原因是表层形成了准孪晶栅栏。

工业纯钛在特高温度下的氧化行为研究

通过Gleeble-1500热模拟机研究了在特高温度下工业纯钛的氧化行为。结果表明,随着氧化温度的升高和保温时间的延长,氧化增重持续增加：特高温氧化产生了多层氧化膜,氧通过破损的外层氧化膜通道向较致密的内层氧化膜扩散及向金属基体渗透,实现了工业纯钛的整个特高温氧化过程。

室温等径弯曲通道变形工业纯钛的组织及性能研究

采用两通道夹角Φ=120°,外圆角Ψ=20°的模具,在室温下成功实现了工业纯钛单道次等径弯曲通道变形(ECAP),并对变形试样进行(200～500)℃×0.5h退火,研究了试样显微组织和力学性能。结果表明,工业纯钛经单道次ECAP变形后,组织内存在大量的形变孪晶;晶粒碎化成板带状组织;屈服强度和显微硬度显著提高,并保持了足够的塑性;退火温度低于300℃时,显微硬度下降缓慢;高于300℃时,显微硬度显著下降。

工业纯钛TA2的低温蠕变行为(英文)

对工业纯钛TA2在150℃（精对苯二甲酸装置钛冷凝器的工作温度）下的蠕变行为进行了研究。单轴拉伸蠕变试验结果表明，150℃下TA2材料蠕变第1阶段服从指数规律 ε = βt°。第1阶段蠕变衰减速度（时间指数口值）分别在160-200MPa和220-240MPa的试验应力范围内呈分阶段恒定的趋势。在较低的应力条件下（低于200MPa），蠕变第1阶段的衰减速度较大，第2阶段存在蠕变饱和现象，且随着应力的降低，达到饱和所需的时间缩短。由此可以推论，第2阶段蠕变饱和的出现与第1阶段蠕变衰减速度密切相关，且在低温和较低的应力条件下，蠕变行为主要以第1阶段为主。

工业纯钛机械孪晶演化及其对纯钛低温力学性能的影响

对工业纯钛(TA2)在液氮介质中机械孪晶随应变量的变化规律以及孪晶对晶粒尺寸的依赖性进行了研究。结果表明:在静拉伸过程中孪晶分数随应变量的增加而增加,孪晶的形成主要在均匀塑性变形阶段,尤其在塑性变形的初期,颈缩后孪晶分数增加缓慢。孪晶形貌的演化规律为:在变形的初始阶段生成孪晶的尺寸比较大,在随后的塑性变形中又发生破碎,最终形成一些孪晶密集的区域。低温下纯钛的塑性变形方式为孪生和滑移共同作用。粗晶粒(55μm)和细晶粒(18μm)的纯钛在室温和低温下的拉伸实验结果表明,晶粒的粗化没有降低纯钛的塑性,低温下粗、细晶粒纯钛的塑性均比室温下的高。这种现象与纯钛低温下活跃的孪生密切相关。

工业纯钛焊接接头的表面纳米化及其性能

利用表面机械研磨法对工业纯钛焊接接头的表面进行处理,通过X射线衍射及透射电镜分析,表明经处理后的工业纯钛焊接接头表面晶粒尺寸达到了50nm左右,纳米化深度约30～40μm。显微硬度试验结果表明,经处理后样品表面的硬度有很大提高,焊缝和热影响区的硬度趋于一致。腐蚀试验证明工业纯钛焊接接头经表面纳米化处理,其耐盐酸腐蚀性能有所提高。

工业纯钛在120°模具中的多道次ECAP室温变形组织与性能(英文)

在室温,采用通道夹角为120°的变形模具对工业纯钛(Commercial Pure Titanium,CP-Ti)以Bc方式实施四道次ECAP(Equal Channel Angular Pressing)挤压变形,成功获得表面光滑无裂纹的变形试样。文中主要研究了工业纯钛在室温下进行ECAP多道次变形的组织结构演变,并测试了变形试样的力学性能。微观结构显示工业纯钛在室温下进行多道次ECAP变形时,只在前两道次产生了大量的变形孪晶,且随道次增加变形孪晶逐渐消失。最终获得的试样晶粒平均尺寸由最初的约28μm细化到约250nm,试样断裂强度和显微硬度分别提高到773和2486MPa,而试样仍保持较好的延伸率(可达16.8%)。

工业纯钛的表面纳米化及其机制

通过X-射线衍射、透射电镜及光学显微镜等方法,研究工业纯钛表面经SMAT技术处理后的纳米化过程及其机制。结果表明,处理后材料表面平均晶粒尺寸达到了纳米量级,在横截面上沿深度方向的晶粒细化程度逐渐减小,随距被处理表面距离增加,硬度增加程度越来越小,随处理时间延长,表面硬度有增加的趋势。

应用加工硬化率研究工业纯钛动态再结晶行为

为研究工业纯钛的动态再结晶行为,利用Gleebe实验机对工业纯钛在变形温度为700,800,900和950℃及应变速率为0.01,0.1,1和5s-1的条件下进行热模拟压缩实验。应用加工硬化率对实验得到的应力-应变数据进行处理,结合变形后材料微观组织的分析,求得工业纯钛的动态再结晶临界条件。结果表明,工业纯钛在热变形过程中发生了回复与再结晶;发生动态再结晶时,再结晶临界应变随温度的升高及变形速率的降低而减小。将lnθ-ε曲线的拐点处对应的应变作为材料的再结晶临界应变是合理的,工业纯钛动态再结晶临界应变εc与峰值应变εp之间满足εc=0.485εp。

挤压速度对工业纯钛室温ECAP变形孪晶的影响

在室温采用通道夹角为Φ=120°的模具,以不同挤压速度实现工业纯钛的单道次等径弯曲通道变形(ECAP),利用光学显微镜(OM)观察了变形前后的组织形貌特征,分析了不同挤压速度对显微组织的影响。结果表明:在单道次ECAP变形过程中,孪晶变形是主要的变形机制,且随着变形速率(即挤压速度)的增大,孪晶变细,孪晶的密度显著增大。