硬化模型对Ti80厚板焊接热-力耦合仿真计算的影响

在船用Ti80钛合金厚板的多层多道焊接中,材料经历了多次热-力循环的作用,焊接接头需要考虑材料在循环载荷作用下的热塑性变形行为,而不同的塑性本构模型所表达的材料力学特性存在明显差别,因此材料塑性模型对焊接残余应力的模拟计算有着直接影响。文中通过对Ti80钛合金材料在不同温度(20~900℃)的拉伸试验以及不同温度(20~800℃)的低周疲劳试验,获得了Ti80钛合金材料的理想弹塑性模型、各向同性硬化模型、随动硬化模型和混合硬化模型的材料参数。采用不同硬化模型对Ti80焊接接头焊接残余应力进行模拟计算,并采用X射线测量残余应力,将获得的残余应力结果进行对比,分析不同硬化模型对焊接残余应力的影响。结果表明,理想塑性模型低估了残余应力的大小,各向同性硬化模型略微高估了熔池及其附近的残余应力大小,随动硬化模型与混合硬化模型残余应力计算值较为接近,前者略小,后者可较精确预测残余应力。从工程应用的角度来看,推荐各向同性应变硬化模型,该模型在残余应力预报的数值最大,使用该模型可以获得相对保守的预测值。

大规格Ti80合金棒材冲击韧性各向异性研究

针对大规格Ti80合金棒材冲击韧性各向异性现象及其内在原因进行了系统研究。夏比冲击试验显示,棒材R/2处弦向的C-R试样(缺口所在面与棒材轴向垂直)的冲击韧性远高于C-L试样(缺口所在面与棒材轴向平行)。金相组织结果表明,热处理态Ti80合金棒材横截面显微组织主要由均匀的等轴状初生α相组成,而纵截面组织中还存在与棒材轴向平行的长条状初生α相;冲击断口扫描电子显微镜(SEM)结果表明,C-R试样断面起伏更为剧烈,断面处存在大量横向裂纹,裂纹扩展方向垂直于长条状初生α相,长条状初生α相起到阻碍裂纹扩展的关键作用,从而冲击韧性明显高于C-L试样;断口侧面(与缺口所在面垂直的侧面)背散射电子衍射(EBSD)结果显示,C-R试样在裂纹萌生及扩展的过程中发生了更为严重的塑性变形,这个过程需要消耗更多能量,从而具有更高的冲击韧性。

低速冲击载荷下Ti80合金平板动响应数值分析

[目的]旨在通过动响应数值计算来评估Ti80合金在低速冲击载荷下的抗冲击性能。[方法]首先,利用有限元软件Abaqus/Explicit建立Ti80合金平板低速冲击有限元模型;然后,基于已有的试验结果,验证材料参数的合理性和有限元模型的可靠性;最后,基于该有限元模型,对比分析冲头形状、材料的屈服强度和断裂能对低速冲击载荷下Ti80合金平板动响应的影响。[结果]在冲击响应过程和变形/失效模式下,有限元计算结果与试验结果吻合良好;在低速冲击载荷下,损伤最先出现在Ti80合金平板的背面;锥形冲头的扩孔效应将对Ti80合金平板造成严重的冲塞破坏;冲击响应过程中的冲击力峰值、冲头位移峰值和能量吸收量与屈服强度呈近似线性关系;断裂能的变化对Ti80合金平板的变形/失效模式影响显著,但相较于屈服强度,其对能量吸收量的影响并不明显。[结论]研究成果可为Ti80合金结构物的抗冲击设计提供参考。

热变形参数对Ti80钛合金α+β两相组织演变的影响

基于JMatPro相图计算确定了Ti80钛合金的相变点。采用热模拟压缩试验、光学显微镜和定量分析法研究了Ti80钛合金的α+β热变形行为,分析了变形温度和应变速率对显微组织的影响规律。结果表明:Ti80钛合金在α+β相区和β相区变形时变形机制存在明显的差异,随着变形温度的提高,未转变α相逐渐减少。当初始α相完全转变为β相后发生动态再结晶,而高应变速率会导致动态再结晶不完全。变形温度和应变速率对Ti80显微组织特征参数(β相晶粒尺寸、α相片层厚度及其均匀性)的影响较为显著。

不同表面状态对Ti80合金动态与静态力学性能的影响

对不同表面状态Ti80合金试样进行拉伸、冲击、疲劳试验,结合数字图像相关方法及扫描电镜的分析结果,研究了Ti80合金动态、静态加载下的力学行为。结果表明:Ti80合金表面打磨态和深缺口试样的抗拉强度比表面抛光试样大,预制裂纹试样的抗拉强度下降较为明显,断后伸长率随着表面质量的下降及缺口深度的增加而减小;不同表面状态试样的冲击吸收能量随着表面质量的下降及缺口深度的增加显著降低;Ti80合金的疲劳性能对试样的表面状态极为敏感,表面打磨划痕及微小缺口会使材料的疲劳寿命显著降低;不同表面状态试样的力学性能对动态加载过程更为敏感。

电感耦合等离子体原子发射光谱法测定Ti80钛合金中铝铌锆钼铁的酸体系溶解条件探讨

为实现Ti80钛合金样品的快速有效溶解,并制得适用于电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）测定Ti80钛合金中铝、铌、锆、钼、铁含量的样品溶液,对硫酸-硝酸、硝酸-氢氟酸、硫酸-氢氟酸-硝酸及盐酸-氢氟酸-硝酸4种酸体系对应的溶解条件进行了探讨。对4种溶解体系分别进行不同条件试验,根据溶解现象及样品溶解的完全程度初步确定了每种酸体系的溶解条件。硫酸-硝酸溶解体系的溶解条件为：10.0mL硫酸（1＋1）,290～310℃下加热溶解,溶解完全后逐滴加入硝酸至溶液褪色;硝酸-氢氟酸溶解体系的溶解条件为：预先在样品中加入10.0mL水,然后相继加入2.0mL硝酸和2.0mL氢氟酸,直至样品溶解完全;硫酸-氢氟酸-硝酸溶解体系的溶解条件为：预先在样品中加入10.0 mL硫酸（1＋3）,然后加入2.0mL氢氟酸使样品溶解完全,加入2.0mL硝酸至溶液褪色,再加热至冒烟;盐酸-氢氟酸-硝酸溶解体系的溶解条件为：预先在样品中加入15.0mL盐酸（1＋1）,然后加入1.0mL氢氟酸使样品溶解完全,加入2.0mL硝酸使溶液褪色。在初步确定的溶解条件下,分别采用4种溶解体系对Ti80钛合金样品进行溶解,制得样品溶液;对样品溶液中铝、铌、锆、钼和铁的稳定性进行了考察并对其含量进行了测定,结果表明4种酸体系对应的溶解条件下制得的样品溶液均适用于电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）测定Ti80钛合金中铝、铌、锆、钼和铁含量,确定的4种酸体系对应溶解条件合理。

热加工及热处理工艺对Ti80合金棒材组织和性能的影响

对不同的热加工工艺及热处理工艺获得的Ti80合金棒材进行了室温力学性能和组织的分析研究。结果表明：Ti80合金棒材精锻时,随着变形量增加室温拉伸性强度逐渐增加,塑性变化不明显,而冲击韧性随着变形量的增加而显著下降;轧制棒材的冲击韧性比相近变形量的精锻棒材略高;室温拉伸性能对热处理温度不敏感,900℃及其以上热处理的几乎保持不变;热处理温度对冲击韧性影响较大,（940~980）℃×75 min/AC的综合力学性能较好。

Ti80钛合金相变点的测定

采用计算法和连续升温金相法2种方法研究了Ti80钛合金相变点。根据合金中主元素及杂质元素含量对相变点的影响,推算出了Ti80钛合金的相变温度。通过连续升温金相法,观察不同淬火温度下合金的显微组织变化,将升温过程中初生α相完全消失的温度定为Ti80钛合金的相变点。结果表明,采用两种方法所得数据相近,本批次Ti80钛合金的相变点为1025℃。

Ti80厚板焊接残余应力仿真

Ti80合金是我国针对深潜器及船舶结构创新研制的一种近α型钛合金,具有良好的焊接性能。为了探究Ti80厚板多层多道焊接工艺参数与焊接次序对焊接残余应力的影响,利用有限元软件ABAQUS建立厚板多层多道焊接温度和热应力耦合模型。基于耦合模型计算Ti80厚板在不同焊接次序及冷却间隔时间的焊接温度场和残余应力场,分析焊接次序和冷却间隔时间对多层多道焊温度场和热应力场分布的影响,总结焊接次序和冷却间隔时间对残余应力的影响规律。最终得出:厚板焊接过程中,采用双面交替焊比单面顺序焊的残余应力峰值要小,应力分布也更为均匀,缩短冷却间隔时间能够减小横向残余应力分量S11的幅值,因此Ti80厚板焊接时,推荐采用双面交替、短间隔冷却时间的焊接方式。

锻造及热处理工艺对Ti80钛合金棒材组织和性能的影响

采用常规锻造、近β锻造和"高低高"锻造三种工艺锻制了Ti80钛合金棒材,并进行了热处理试验。结果表明:在不同锻造和热处理工艺下,Ti80合金棒材可以获得均匀的双态组织、等轴组织和双套组织,双态组织具有较高的冲击性能,等轴组织和双套组织具有较高的强度,但等轴组织与双套组织的性能总体差别不大。

Ti80耐压球壳赤道焊缝残余应力研究

钛合金因其优良的性能得到广泛应用,其材料的焊接特点及其结构在使用过程中的安全可靠性问题也越来越引起人们的关注,目前钛合金已成为载人深潜器耐压球壳的首选材料。本文首先对Ti80对接焊厚板残余应力进行了数值模拟以及X射线无损检测试验研究,在得到数值模拟结果后将其与试验测量值进行对比,结果吻合较好,即Ti80对接焊厚板表面横向残余拉应力呈现不对称双峰;焊缝中心线上的纵向残余拉应力较大;焊缝处沿板厚方向的内部横向残余应力和垂向残余应力在近上下表面处均为拉应力,且横向残余应力高于垂向残余应力,沿板厚方向均呈现拉应力-压应力-拉应力趋势。然后基于热弹塑性有限元分析方法,对Ti80耐压球壳赤道焊缝焊接残余应力进行数值模拟研究,得到赤道焊缝表面残余应力和内部残余应力分布规律。结果显示:Ti80耐压球壳内壳表面有较大的残余拉应力;纵向残余拉应力大于横向残余拉应力;球壳外表面有较大的横向残余压应力,而纵向残余应力为拉应力。

ICP-OES法测定Ti80钛合金中铝铌锆钼铁硅

采用ICP-OES法测定了Ti80钛合金中铝、铌、锆、钼、铁、硅元素的含量。用H2O-HCl-HF-HNO3(5+5+1+1)对样品进行溶解;确定了各元素测定谱线为Al 394.401nm、Nb 269.706nm、Zr 339.197nm、Mo202.031nm、Fe 259.939nm、Si 288.158nm;建立了校准曲线,各元素线性相关系数均在0.999以上;测定了方法检出限,各元素检出限均小于0.003%;测定结果的RSD/%在0.79%~3.42%之间(n=7),加标回收率在97.0%~104.0%之间。

通过热循环变形改善Ti80合金的超塑性

研究了热循环变形后Ti80合金的超塑性.结果表明,在800～980℃温度范围内,m值大于0.3;在最高试验温度930℃,拉伸速度为0.2mm/min,循环5次的条件下,伸长率达350%;变形过程中晶粒首先得到细化,随后有所长大;变形后组织均匀,呈等轴状.Ti80合金表现出超塑特性.

不同原始组织Ti80合金热变形行为及组织演变规律研究

通过热模拟压缩试验,研究了等轴组织和魏氏组织Ti80合金在温度850~1000℃、应变速率0.01~10 s^(-1)、变形量20%~60%条件下的热变形行为及组织演变。结果表明:Ti80合金为温度敏感型和应变速率敏感型材料,两相区变形时软化机制以动态再结晶为主,单相区变形时以动态回复为主。低应变速率条件下(0.01 s^(-1)),等轴组织的流变应力峰值高于魏氏组织,高应变速率条件下(1~10 s^(-1))则相反。相同变形参数下,原始组织类型对合金显微组织演变有显著影响。在β相变点以下,随着变形温度升高,等轴组织基体中初生α相减少,次生片状α相破碎形成不规则小颗粒;魏氏组织晶界α相完全破碎,β晶粒内部大部分片状α相破碎形成等轴颗粒,只保留少量不同位向集束状α相。随着变形量增大,等轴组织中α相再结晶晶粒尺寸增大明显,魏氏组织中集束片状α相逐渐被破碎,形成细小的短条状和等轴再结晶α晶粒。

船用Ti80合金直流阳极氧化研究

在酸性溶液中,采用直流阳极氧化方法、恒电流模式在Ti80合金表面生成氧化膜。研究了氧化过程中电压随时间的变化关系,并对氧化膜的相组成、成分、微观形貌和厚度、绝缘性等性能进行了考核。结果表明,经过阳极氧化后,Ti80合金具有了足够厚且均匀连续的氧化膜,绝缘电阻有了很大的提高。

深潜器用Ti80电子束焊接接头精细组织结构特征

进行了Ti80大厚板电子束焊接试验,实现了56 mmTi80无缺陷焊接.分析焊缝和热影响区精细组织,结果表明,焊缝上部为柱状晶粒,下部为柱状晶和等轴晶,晶粒内组织为马氏体α相和残余β相.焊缝由上至下高温停留时间逐渐减小、冷却速度逐渐加快,马氏体α相呈长大趋势.热影响区分为靠近焊缝区的Ⅰ区和靠近母材的Ⅱ区.热影响Ⅰ区组织为马氏体α相、初生α相和β相;Ⅱ区组织为初生α相、次生α相和转变β组织.Ⅰ区由于受热影响作用大,其组织更接近于焊缝;Ⅱ区组织则更接近于母材组织.

热处理工艺对Ti80合金显微组织的影响

用X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）等研究Ti80合金在3种热处理工艺下的显微组织与硬度。结果表明：当热处理工艺由900℃×1 h/AC改变至980℃×1 h/AC时,合金由等轴组织转变为双态组织,并伴随着初生α相的减少和球化、β相的增多、次生α相与α＇马氏体形态的转变,但合金元素固溶规律无变化;经1020℃×1 h/AC热处理后,合金形成片层组织,初生α相消失、次生α相呈长针丛状在粗大的原始β晶粒内平行分布,此时α＇板条马氏体与α＇孪晶马氏体共存且合金元素分布较均匀;随热处理温度的升高,合金硬度先降低后升高。

退火温度对Ti80合金组织及力学性能的影响

研究了不同退火温度对锻态Ti80合金的微观组织、拉伸性能和断裂韧性的影响。结果表明:退火温度低于相变点时,相比于供货态,屈服强度随退火温度升高而升高,伸长率变化不大,断裂韧性随温度升高而升高;退火温度等于或高于相变点时,伸长率下降超过40%,断裂韧性随温度升高而降低。在980℃退火时合金的断裂韧性最高。

Ti80合金及其热模拟组织在含氟模拟海水中的力学电化学行为研究

目的研究应变、环境、组织对Ti80合金在含氟海水中电化学行为的影响,为海洋工程装备的安全服役提供数据支持。方法使用热处理的方式模拟Ti80合金焊接热影响区组织,并通过拉伸机加载至不同应变状态,进行开路电位和极化曲线的测试,最后通过机器学习,挖掘应变、环境、组织与电化学行为的关系。结果在添加和不添加0.001 mol/L F–的模拟海水(pH=2)中,开路电位随应变的增加而负移。在添加0.01 mol/L F–的模拟海水中,应变对开路电位没有明显影响,应变增加整体上提高维钝电流密度。受应变影响最大的是添加0.01 mol/L F–模拟海水中的1500℃热模拟组织,其最大应变状态下维钝电流密度是无应变状态下的3倍左右。阴极塔菲尔斜率最大值出现在屈服点附近。F–浓度增加显著提高维钝电流密度。决策树和梯度提升树算法预测极化曲线电流值较为准确,随机森林算法的准确度较差。结论塑性变形显著提高Ti80在模拟海水中的电化学活性,而弹性变形的影响并不明显。F–浓度增加显著提高电化学活性。决策树和梯度提升树算法预测准确度高于随机森林算法。在相对重要性对比中,F–浓度对电化学行为的影响最大,应变状态次之,组织的影响最小。

退火温度对Ti80合金棒材组织与性能的影响

Ti80合金具有高的比强度、优良的耐蚀性及良好的焊接性,为了保证其在服役过程中的使用安全性,需通过热处理获得最佳的强度、塑性及冲击韧性匹配。为此,以经过多火次锻造的、组织为均匀细小等轴组织的Ti80合金棒材为研究对象,对其在650~800℃范围内进行不同温度的退火处理,并对退火处理后的试样进行室温拉伸性能及冲击韧性测试。结果表明,随着退火温度的升高,Ti80合金棒材的强度变化不大,延伸率和冲击韧性均呈现上升趋势。经(700~800)℃×1 h/AC热处理后,Ti80合金棒材的强度、塑性及冲击韧性可达到较好的匹配,各项性能均满足协议指标要求。