热处理对TC4钛合金动态力学性能和微观组织的影响.pdf

第 卷 第 期 年 月应用力学学报 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目(.)安徽省高校优秀拔尖人才培育资助项目(.)灾害环境人员安全安徽省重点实验室开放课题资助项目(.)通信作者:刘涛博士副教授:.引用格式:刘涛柏威吴乔国等.热处理对 钛合金动态力学性能和微观组织的影响.应用力学学报():.():.文章编号:()热处理对 钛合金动态力学性能和微观组织的影响刘涛柏威吴乔国孙虹雷经发(.安徽建筑大学机械与电气工程学院 合肥.灾害环境人员安全安徽省重点实验室 合肥.合肥工业大学土木与水利工程学院 合肥)摘 要:为揭示热处理对 钛合金动态力学性能及微观组织的影响选取 种典型热处理方式和 种加载应变率开展了 钛合金试样的动态力学性能实验获取了动态应力应变数据并进行了试样的 和金相分析 结果表明:高应变率下 钛合金应变率强化效应显著 时效处理后 钛合金流动应力、屈服强度及抗压强度得到提升而固溶时效处理后上述性能降低 时效处理和未热处理试样应力应变曲线均具有弹性、屈服和塑性阶段而固溶时效处理后无明显弹性和屈服阶段 固溶时效处理后流动应力随应变率增加而增加时效处理和未热处理试样流动应力无明显变化 时效处理后试样等轴初生 相显著增大且 相含量较低固溶时效处理后 相晶界增大且含有针状 的 转变基体 钛合金力学性能与 相和亚稳 相的马氏体转变有关关键词:钛合金固溶处理时效处理动态力学性能金相组织中图分类号:.文献标志码:./.(.):.应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 .:钛合金()是一种兼有 及 相的两相钛合金材料其具有良好的工艺塑性和超塑性、抗腐蚀能力强、冲击韧性好常用于航空发动机压气机叶片、飞机梁结构连接件等承力构件 在服役过程中 钛合金构件常承受强冲击载荷作用存在高应变率下的塑性变形风险因此获取材料的动态力学性能揭示热处理工艺对其动态力学性能和微观组织的影响对于开展钛合金抗冲击设计、提高结构冲击强度意义重大在钛合金力学性能研究方面人们结合万能材料试验机、分离式霍普金森杆等装置开展了该类材料的静动态力学性能实验并结合有限元分析工具进行了材料性能的数值模拟研究了固溶、时效等热处理工艺对材料静、动态力学性能的影响 证实了固溶温度在相变点附近时会改变钛合金动态压缩性能且时效处理会提高钛合金的动态屈服强度在 应变率范围内该材料具有明显的应变率强化效应和一定的应变硬化效应为研究热处理工艺对材料微观组织的影响加热温度、冷却速度及方式常被作为调控变量以明确不同热处理方案对材料组织相变的作用机制揭示了空冷固溶处理后的二次针状 相析出以及水冷固溶时效后的组织形态规律随着时效温度的升高 钛合金的准静态抗拉强度先升后降 微观组织转变会影响钛合金力学性能如 相的含量对 合金的热塑性变形起着重要作用 固溶处理后 钛合金强度降低而 及以上固溶处理会使其强度提升 双态组织状态下的 钛合金的动态抗压强度与转变 区体积分数有关次生 相的含量越多材料硬度越高完全退火后 合金强度和硬度较低塑韧性较高 此外成型方式也会对力学性能产生影响 与传统锻件相比采用 工艺制备的 钛合金具有更强的耐蚀性而 制备的 抗腐蚀性能随能量密度降低而下降 在准静态和动态加载条件下 热轧 钛合金表现出显著的各向异性沿轧向加载体现出了高塑性沿横向加载则具有较高的静、动态屈服强度冷轧条件下该材料塑性与退火温度存在关联目前国内外学者结合各类钛合金材料开展了一定应变率范围的力学性能测试 然而热处理工艺带来的微观组织的变化以及微观组织演化与材料动态力学性能之间的关联规律仍不明确 本研究选取分离式霍普金森压杆()实验装置开展了 钛合金试样在高应变率下的力学性能实验获取了材料经时效、固溶时效等典型热处理后的动态应力应变数据分析了热处理对材料动态力学性能的影响并阐述了微观组织演化与动态力学性能之间的关联规律 实验材料及装置.实验材料实验材料为商用冷轧态 钛合金棒材 采用线切割方法将其制成圆柱状试样()化学成分见表 表 钛合金的化学成分(质量分数).().对试样进行磨制加工使其两面平行 按表 所示热处理工艺对磨制后试样进行热处理 试样分第 期刘涛 等:热处理对 钛合金动态力学性能和微观组织的影响 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报为 组分别对应 种工艺:工艺 不做热处理工艺 为时效处理试样以 /的升温速率加热至 保温 后空冷工艺 与工艺 为固溶时效处理分别将试样以 /的升温速率加热至 和 保温 后水冷随后将试样再次放入加热炉中以 /升温速率放入炉中加热至 保温 然后取出试样放置在空气中进行冷却表 热处理工艺.工艺序号固溶温度/保温时间/冷却方式时效温度/保温时间/冷却方式空冷水冷空冷水冷空冷.实验装置采用 实验装置开展动态力学性能测试图、图 分别为装置实物图和原理图 该装置由加载系统、杆系统和测试系统组成 杆系统包含冲击杆()、入射杆()、透射杆()和吸收杆()杆径均为.材料为弹簧钢弹性模量为 密度为./波速约为 /测试系统包含应变片、超动态应变仪和数据采集装置 实验时将试样置于入射杆与透射杆之间为减少入射杆、透射杆与试样端面之间摩擦采用凡士林对试样接触面进行润滑图 装置实物图.图 装置原理图.采用 实验装置开展动态力学性能测试需要满足 个假定即一维应力波假定和均匀性假定为满足一维应力波假定设置入射杆和透射杆长径比大于入射杆长度为冲击杆的 倍将应变片置于入射杆与透射杆中间位置且与杆两端的距离均大于 倍杆径以加载应变率 为例得到试样动态压缩原始波形(图)及其应力平衡图(图)图 应变率 时试样动态压缩原始波形.图 中入射杆与试样界面的应力时间曲线由入射信号与反射信号累加后计算得到透射杆与试样界面的应力时间曲线由透射信号计算得到图中可见试样在整个加载过程中达到了应力平衡符合均匀性假定图 应变速率 时的应力平衡图.为研究材料高应变率加载下的力学性能实验过程中通过调整加载系统气压改变冲击杆速度以实现不同应变率加载 结合一维应力波理论可以计算得到试样的平均工程应变率()、平均工程应变()和应力()的关系如公式()所示 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报()()()()()()()式中:、和 分别为试验测得的入射应变、反射应变和透射应变 为压杆的弹性波速(单位:/)、分别为压杆的弹性模量(单位:)和杆的横截面积(单位:)、分别为试样的面积(单位:)和长度(单位:)实验结果及分析.实验过程依照表 所述热处理工艺对试样进行处理获取了对应于工艺 的 组试样(每组 个试样)实验前从各组试样中抽取 个试样进行 测试及金相分析 对各组试样开展应变率为 、和 的力学性能实验每次实验重复 次取平均值 对高应变率加载后的试样进行回收统计各试样的压缩率.压缩率统计图 为高应变率加载下 组试样的压缩率 试样经工艺 处理后平均压缩率比未处理试样减少了.表明试样抗变形能力得到提升工艺 处理后试样压缩率比未处理试样增加了.表明试样抗变形能力低于未处理试样工艺 处理后试样压缩率最高表明试样抗变形能力最差图 组试样在 种应变率下的压缩率.动态力学性能分析通过动态力学性能测试获取上述 组试样在种应变率下的工程应力应变曲线 依据体积不变假设按公式()将所得到的工程应力应变数据转化为真应力应变数据 ()()()式中:工为工程应力工为工程应变 为真实应力 为真实应变图 为 组试样在 应变率下的真应力应变曲线 图()、()、()、()分别对应热处理工艺 图()、()可见未进行热处理的试样与时效处理后的试样其应力应变曲线均具有明显的弹性、屈服和塑性阶段且屈服强度随应变率的增加而增加 图()、()中可看出试样经固溶时效处理后应力应变曲线无明显弹性和屈服阶段 钛合金表现出了一定的应变率强化效应各组试样的峰值应力随应变率增加而显著增大 材料经固溶时效处理后的流动应力随着应变率增加而增大而未进行热处理的试样与时效处理后的试样流动应力未显著增加第 期刘涛 等:热处理对 钛合金动态力学性能和微观组织的影响 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报图 组试样在 种应变率下的动态真应力应变曲线.此外实验中还发现 钛合金试样动态塑性变形过程中温度急剧升高这是由于高应变率短历时加载试样内部热能无法及时释放所致 高应变率加载过程中同时存在应变率硬化与热软化效应.流动应力、屈服强度及抗压强度分析图 为 与 应变率下 组试样的真实应力应变曲线 由图 可知工艺 处理后的试样对应的流动应力最高材料经工艺 处理后流动应力显著减小当固溶温度达到 时试样的流动应力最低 上述结论同样适用于加载应变率为 、和 的情况为进一步分析流动应力随应变率的变化规律取应变为.时的流动应力和应变率值绘制关系曲线(图)未做热处理的试样与工艺 处理后的试样其流动应力始终保持在 和 上下无显著变化而经过工艺 和工艺 处理后的试样其流动应力随应变率增加总体呈上升趋势应变率为 和 时流动应力变化不明显图 相同应变率下 组试样的动态真应力应变曲线.图 组试样的流动应力应变率关系曲线.图 为不同热处理试样的屈服强度应变率关系曲线图中可见对应于 种热处理工艺 钛合金试样屈服强度均随应变率增加而增加 在 应变率以上时试样屈服强度增幅减缓随应变率的增加材料的热软化效应增强固溶时效处理后的试样屈服阶段不明显 当固溶温度达到 时试样未见屈服阶段 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报图 组试样的屈服强度应变率关系曲线.图 为 组试样在 种应变率下的抗压强度总体来看试样经工艺 处理后抗压强度略有提升工艺 处理后试样抗压强度低于未处理试样工艺处理后 试 样 抗 压 强 度 最 低 在 加 载 应 变 率 为 时 组试样抗压强度均达到了最高值()试样经固溶处理后淬火得到亚稳 相亚稳 相在高应变率下发生应力诱发马氏体转变该马氏体具有低屈服强度和高应变硬化速率特点 因此随应变率增加工艺 和工艺 处理后试样抗压强度显著增强使 组试样的抗压强度差值不断缩小图 组试样在 种应变率下的抗压强度.分析图 为 组试样的 图谱 图 中()、()、()、()分别对应工艺 热处理试样的 图谱由图可知 组试样均具有多角度 相衍射峰 图谱()中 相衍射峰显著说明试样中残留的 相较多且小范围聚集 图谱()中 相衍射峰消失这是由于时效处理后 相含量减少散布于 相晶界间难以生成特定 相晶面指数的衍射所致 图谱()、()中可见固溶时效处理后 图谱中新增了 相衍射峰这是由于相变点附近 相向 相转变所致同时 相晶界增大 相中析出了针状 相导致对应于 相的衍射峰增强图 组试样的 图谱.金相分析采用 扫描电镜(蔡司)观测试样金相组织如图 所示 图()、()、()、()分别对应工艺 热处理试样图()金相组织由初生等轴 相和少量 相组成图()金相组织由等轴初生 相和在晶界处转变的 相组成图()、()金相组织均由等轴初生 相和含有针状 的 转变基体组成由图()、()可知工艺 处理后试样的等轴初生 相比未处理试样的等轴初生 相明显增大图()可以看出工艺 处理后其 相变为片层状且晶界处转变的 相中伴有少量针状 相(马氏体)析出其长度约为 图()显示工艺 处理后试样金相组织的片层状 相更显著并伴有长度约为 的 相析出体积约占金相组织的左右 对比图()和图()、()可以看出固溶处理会使 相晶粒变得粗大并呈现出片层状组织 而随着固溶温度的增大 相从 相与 相之间的晶界中析出导致 相含量增加图()、()表明在固溶温度低于相变点温度()或者接近相变点时试样金相组织均为明显的双态组织与工艺 相比工艺 处理后试样等轴初生 相显著增大且 相含量较低导致其抗压强度、流动应力及屈服强度增加 工艺、处理后试样的抗第 期刘涛 等:热处理对 钛合金动态力学性能和微观组织的影响 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报压强度、流动应力及屈服强度均降低这与 相和亚稳 相的马氏体转变有关图 组试样的金相组织.工艺 和 处理时随固溶温度升高发生 相向 相转变等轴初生 相比例逐渐减少次生 相(马氏体)增加 此外试样经固溶处理后淬火 相发生马氏体转变该马氏体对材料的强化作用小而时效处理进一步将得到的马氏体分解为弥散的 和 组织可以起到增强强度、降低塑性的作用 同时试样经固溶处理后淬火得到的亚稳 相在高加载应变率下发生应力诱发马氏体转变使固溶时效处理后的试样强度降低但抗压强度随加载应变率增加而增强 结 论本研究分析了热处理对 钛合金在高应变率下的力学性能和微观组织的影响得出以下结论)钛合金在高应变率载荷作用下表现出了应变率强化效应其峰值应力随应变率增加而显著增大)各加载应变率下时效处理后 钛合金抗变形能力、流动应力、屈服强度及抗压强度升高固溶时效处理后材料的抗变形能力、流动应力、屈服强度及抗压强度显著降低时效处理和未做热处理试样其动态应力应变曲线均具有明显的弹性、屈服和塑性阶段固溶时效处理后则无明显弹性和屈服阶段)随应变率的增加时效处理和未做热处理试样流动应力无显著变化固溶时效处理后流动应力随应变率增加呈上升趋势)时效处理后材料等轴初生 相显著增大且 相含量较低固溶时效处理后材料 相晶界增大且含有针状 的 转变基体 钛合金的力学性能与 相和亚稳 相的马氏体转变有关参考文献:.:.:.:.朱冠芳李春旺武晓亮等.外物撞击 钛合金叶片 模型参数反演.应用力学学报():应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报.():().:.袁经纬李卓汤海波等.热处理对激光增材制造 合金耐蚀性及室温压缩蠕变性能的影响.航空学报():.():().:.邓云飞张永安静丹等.钛合金力学性能测试及其本构关系研究.振动与冲击():.():().惠旭龙牟让科白春玉等.钛合金动态力学性能及本构模型研究.振动与冲击():.():().:.丁灿汪常亮李峰等.固溶冷速时效对 合金显微组织和力学性能的影响.稀有金属材料与工程():.():().刘婉颖朱毅科林元华等.热处理对 钛合金显微组织和力学性能的影响.材料导报():.():().:.().:.吕逸帆张毅景宝全等.固溶时效对 钛合金组织和性能的影响.中国有色金属学报(增刊):.():().鲁媛媛马保飞刘源仁.时效处理对 钛合金微观组织和力学性能的影响.金属热处理():.():().:.:./.:.张昭郭保桥冉春等.固溶温度对 钛合金动态力学性能和微观组织的影响.高压物理学报():.():().彭美旗程兴旺郑超等.转变 区体积分数对双态组织 钛合金动态压缩性能及其绝热剪切敏感性的影响规律.稀有金属材料与工程():.():().():.王悔改张楠张雷雨等.热处理工艺对 合金显微组织和力学性能的影响.金属热处理():.():().第 期刘涛 等:热处理对 钛合金动态力学性能和微观组织的影响 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 .:./.:.():.:.骆雨萌刘金旭李树奎等.热轧 钛合金力学性能各向异性及影响因素分析.稀有金属材料与工程():.():().徐戊矫谭玉全龚利华等.退火温度和冷却速率对 钛合金组织和性能的影响.稀有金属材料与工程():.():().戴世娟王煜陈锋等.退火工艺对大形变冷轧 医用钛合金组织和力学性能的影响.材料工程():.():().宗学文刘文杰张健等.激光选区熔化与铸造成形 钛合金的力学性能分析 .材料导报():.():().(编辑 史淑英)