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TC11钛合金的热态变形行为及其锻造工艺优化研究

作　者: 李鑫
导　师: 鲁世强
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 材料加工工程
关键词: TC11钛合金 动态材料模型 加工图 稳定或失稳变形准则 本构方程 微观组织 热力参数优化 变形机制
分类号: TG316
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


TC11钛合金是一种α+β双相钛合金,属难变形材料,广泛应用于航空航天工业领域。基于动态材料模型理论的加工图技术是一种用于金属热变形工艺设计和优化的工具,利用加工图不仅可以避开流动失稳区,而且还可获得优化的可加工温度和应变速率范围。作者以片状和等轴状两种初始组织的TC11钛合金为研究对象,通过热压缩实验对其热态变形行为进行了研究,并利用加工图技术对锻造变形工艺进行了优化。研究结果对合理制定TC11钛合金的锻造变形工艺,确保获得组织和性能稳定一致的无缺陷锻件具有重要的理论指导意义和实际应用价值。论文综述了动态材料模型及其加工图技术的理论基础及发展过程,对确定加工图中稳定或失稳变形区的各种准则的不可逆热力学和耗散结构基本理论以及推导过程进行了较详细的介绍,从理论角度分析和比较了这些准则的优缺点及其适用范围。理论分析表明,Gegel准则和Malas准则的本质相同,二者既考虑了材料的机械稳定性和热力学稳定性,又可使变形过程对外界的扰动具有较好的自修正性,但当所研究材料的m值不为常数时,Malas准则比Gegel准则更合理些。在应用这两个准则时,由于限制条件较多,可能会缩小可加工的变形热力参数范围。Prasad准则和Murty准则的本质亦相同,但当所研究材料的m值不为常数时,选用Murty准则更为合理。系统地研究了变形热力参数对两种初始组织TC11钛合金流动应力和变形组织的影响规律。结果表明,这两种组织TC11钛合金的流动应力均随变形温度的升高和应变速率的降低而减小,其应力-应变曲线在应变速率较高时为应变软化型,在应变速率较低时为稳态流动型。从变形抗力角度考虑,这两种组织TC11钛合金宜在较低的应变速率下进行变形,当温度从低向高变化时,应变速率可以适当地提高,即适宜的应变速率范围变宽。两种组织TC11钛合金随变形温度降低,应变速率提高,变形均匀性变差。对于片状组织TC11钛合金的α+β两相区变形,当应变速率≤0.01s-1时,α片层开始球化,故从变形均匀性和获得球化组织角度考虑,应变速率以≤0.01s-1为宜;对于片状组织TC11钛合金的近β和β单相区变形,当应变速率≤0.01s-1时,动态再结晶较完全,故从获得动态再结晶组织角度考虑,应变速率亦以≤0.01s-1为宜。对于等轴组织TC11钛合金的α+β两相区变形,α相的形态总体变化不大,但当应变速率较高时,变形均匀性变差,故从变形均匀性角度考虑,变形宜在较低的应变速率进行;对于等轴组织TC11钛合金的β单相区变形,在应变速率为0.01s-1～0.1s-1时发生较完全的动态再结晶,且晶粒细小,故从获得细小动态再结晶组织角度考虑,适宜的应变速率为0.01s-1～0.1s-1,比片状组织要高一个数量级。对两种初始组织TC11钛合金的本构方程进行了研究。结果表明,Arrhenius型双曲正弦方程和改进的Arrhenius型幂函数方程可分别作为片状组织TC11钛合金在近β和β单相区,以及α+β两相区的本构关系模型;改进的Arrhenius型幂函数方程亦可作为等轴组织TC11钛合金在整个变形温度区间的本构关系模型。通过数理统计方法确定出了模型中系数。误差分析表明,所建立的本构方程具有较高的精度,片状组织TC11钛合金在近β和β单相区,以及α+β两相区的平均误差分别为5.04%和5.57%;等轴组织TC11钛合金的平均误差为5.20%。通过改进Arrhenius型幂函数方程来建立本构关系模型的方法具有普遍适用性,可用于其它材料本构方程的建立。首次利用加工图技术研究了两种初始组织TC11钛合金的锻造工艺优化,分别采用不同的稳定或失稳变形准则绘制了两种初始组织TC11钛合金的加工图,分析和比较了不同稳定或失稳变形准则的适用性。结果表明,基于Murty准则绘制的加工图总体上比基于Prasad或Malas准则绘制的加工图在预测稳定变形区、失稳变形区和优化锻造热力参数方面更准确。基于Murty准则绘制的加工图预测结果表明,对于片状组织TC11钛合金的α+β两相区变形,其流动失稳区为750℃～875℃、0.005s-1～10.0s-1和875℃～1000℃、0.2s-1～10.0s-1,对应的失稳现象为宏观剪切裂纹、绝热剪切带和原始β晶界孔洞;较佳的锻造热力参数为750℃～900℃、0.001s-1～0.005s-1和900℃～1000℃、0.001s-1～0.03s-1,对应的变形机制以球化为主;最佳的锻造热力参数位于840℃～980℃、0.001s-1附近。对于片状组织TC11钛合金的近β和β单相区变形,其流动失稳区为1000℃～1100℃、1.0s-1～10.0s-1和1075℃～1100℃、0.001s-1～0.003s-1,对应的失稳现象为β晶粒拉长、晶界破碎、“项链”状的混和组织以及晶粒的动态长大;较佳的锻造热力参数为1000℃～1100℃、0.001s-1～0.05s-1(除去1075℃～1100℃、0.001s-1～0.003s-1这个小区域),对应的变形机制为动态再结晶;最佳的锻造热力参数在应变小于0.4时位于1050℃、0.001s-1附近,在应变大于0.4时位于1050℃、0.016s-1附近。对于等轴组织TC11钛合金的α+β两相区变形,其流动失稳区为780℃～850℃、0.008s-1～70.0s-1,850℃～927℃、0.01s-1～70.0s-1和927℃～1008℃、0.1s-1～70.0s-1,对应的失稳现象为绝热剪切带、局部流动和β相中的裂纹和空洞;较佳的锻造热力参数为780℃～850℃、0.001s-1～0.008s-1,850℃～940℃、0.001s-1～0.01s-1和940℃～1008℃、0.001s-1～0.01s-1,对应的变形机制以超塑性为主;最佳的锻造热力参数位于900℃、0.001s-1附近。对于等轴组织TC11钛合金的β单相区变形,其流动失稳区为1008℃～1080℃、4.0s-1～70.0s-1,对应的失稳现象为β晶界的破碎和晶粒的拉长;较佳的锻造热力参数在应变小于0.7时为1030℃～1080℃、0.001s-1～0.1s-1,在应变大于0.7时为1020℃～1060℃、0.004s-1～0.6s-1,对应的变形机制为动态再结晶;最佳的锻造热力参数在应变小于0.7时位于1060℃～1080℃、0.001s-1附近,在应变大于0.7时位于1040℃～1050℃、0.016s-1～0.07s-1。对等轴组织TC11钛合金的超塑性变形行为进行了初步研究。结果表明,在β单相区不能获得超塑性,在α+β两相区可获得超塑性,且最佳超塑性出现在900℃附近,应变速率越低越好,这与用加工图预测的结果相吻合。在900℃、0.0001s-1条件下的延伸率高达1215%。初生α和β相的体积比对超塑性具有较大的影响,初生α相含量在70%时对应着最佳的超塑性。超塑性变形过程中有动态再结晶、扩散蠕变、晶内变形及界面滑移的参与,且界面的滑移以α/β相界面滑移为主。

全文目录


摘要  4-7
ABSTRACT  7-18
第一章 绪论  18-25
  1.1 钛合金简介  18-20
    1.1.1 钛合金的应用  18
    1.1.2 钛合金分类及特点  18-20
    1.1.3 钛合金微观组织与性能的关系  20
  1.2 TC11 钛合金及其研究现状  20-21
  1.3 几种热变形工艺优化方法  21-23
  1.4 本文研究目的和主要研究内容  23-25
第二章 基于加工图技术的热加工工艺优化理论简介  25-43
  2.1 引言  25
  2.2 不可逆过程热力学和耗散结构理论  25-30
    2.2.1 不可逆过程的热力学力和热力学流  25-27
    2.2.2 Lyapounov 稳定性判据  27
    2.2.3 非平衡态的稳定性与耗散结构  27-30
  2.3 加工图的诠释  30-41
    2.3.1 热变形工件的特征  30-31
    2.3.2 功率耗散图的热力学意义  31-34
    2.3.3 稳定变形区和失稳变形区准则  34-39
      2.3.3.1 Gegel 稳定区准则和 Malas 稳定区准则  35-37
      2.3.3.2 Prasad 失稳区准则  37
      2.3.3.3 Murty 失稳区和稳定区准则  37-39
      2.3.3.4 Semiatin 唯象失稳准则  39
    2.3.4 各种准则的分析、比较及应用  39-41
      2.3.4.1 各种准则的分析和比较  39-40
      2.3.4.2 各种准则的应用  40-41
  2.4 本章小结  41-43
第三章 初始组织为片状和等轴组织的 TC11 钛合金本构关系研究  43-64
  3.1 引言  43-44
  3.2 实验材料和方法  44-46
    3.2.1 实验材料  44-45
      3.2.1.1 初始组织为片状组织的 TC11 钛合金  44
      3.2.1.2 初始组织为等轴组织的 TC11 钛合金  44-45
    3.2.2 实验方法  45-46
      3.2.2.1 等温恒应变速率压缩实验  45
      3.2.2.2 金相组织观察  45
      3.2.2.3 TEM 观察  45-46
  3.3 热力参数对两种初始组织TC11 钛合金应力-应变曲线的影响  46-51
    3.3.1 变形温度和应变速率对片状组织 TC11 钛合金应力-应变曲线的影响  46-48
    3.3.2 变形温度和应变速率对等轴组织 TC11 钛合金应力-应变曲线的影响  48-51
  3.4 两种初始组织 TC11 钛合金的本构关系建立  51-62
    3.4.1 片状组织 TC11 钛合金的本构关系建立  51-58
      3.4.1.1 Arrhenius 型方程的适用性分析  51-53
      3.4.1.2 本构关系模型的建立及其系数确定  53-56
      3.4.1.3 本构关系模型验证  56-58
    3.4.2 等轴组织 TC11 钛合金的本构关系建立  58-62
  3.5 本章小结  62-64
第四章 热力参数对两种初始组织 TC11 钛合金变形组织的影响  64-91
  4.1 引言  64
  4.2 热力参数对片状组织 TC11 钛合金变形组织的影响  64-76
    4.2.1 变形温度对片状组织 TC11 钛合金变形组织的影响  64-71
    4.2.2 应变速率对片状组织 TC11 钛合金变形组织的影响  71-76
  4.3 热力参数对等轴组织 TC11 钛合金变形组织的影响  76-89
    4.3.1 变形温度对等轴组织 TC11 钛合金变形组织的影响  76-81
    4.3.2 应变速率对等轴组织 TC11 钛合金变形组织的影响  81-86
    4.3.3 变形程度对等轴组织 TC11 钛合金变形组织的影响  86-89
  4.4 本章小结  89-91
第五章 片状组织TC11 钛合金的加工图制作及锻造工艺优化  91-111
  5.1 前言  91
  5.2 基于 Prasad 准则的加工图制作及锻造工艺优化  91-94
    5.2.1 加工图制作  91-92
    5.2.2 加工图分析及锻造工艺优化  92-94
      5.2.2.1 失稳变形区分析  92-93
      5.2.2.2 稳定变形区分析  93-94
  5.3 基于Murty 准则的加工图制作及锻造工艺优化  94-97
    5.3.1 加工图制作  94-95
    5.3.2 加工图分析及锻造工艺优化  95-97
      5.3.2.1 失稳变形区分析  95-96
      5.3.2.2 稳定变形区分析  96-97
  5.4 基于Malas 准则的加工图制作及锻造工艺优化  97-102
    5.4.1 加工图制作  97-98
    5.4.2 加工图分析及锻造工艺优化  98-102
      5.4.2.1 失稳变形区分析  98-101
      5.4.2.2 稳定变形区分析  101-102
  5.5 工艺优化结果的组织验证及变形机制分析  102-110
    5.5.1 α + β两相区组织验证及变形机制分析  102-108
    5.5.2 近β相区和β单相区组织验证及变形机制分析  108-110
  5.6 本章小结  110-111
第六章 等轴组织TC11 钛合金的加工图制作及锻造工艺优化  111-122
  6.1 前言  111
  6.2 基于 Prasad 准则的加工图制作及锻造工艺优化  111-114
    6.2.1 加工图制作  111-112
    6.2.2 加工图分析及锻造工艺优化  112-114
      6.2.2.1 失稳变形区分析  112-113
      6.2.2.2 稳定变形区分析  113-114
  6.3 基于 Murty 准则的加工图制作及锻造工艺优化  114-116
    6.3.1 加工图制作  114-115
    6.3.2 加工图分析及锻造工艺优化  115-116
      6.3.2.1 失稳变形区分析  115
      6.3.2.2 稳定变形区分析  115-116
  6.4 工艺优化结果的组织验证及变形机制分析  116-120
    6.4.1 α + β两相区组织验证及变形机制分析  116-119
    6.4.2 β单相区组织验证及变形机制分析  119-120
  6.5 本章小结  120-122
第七章 等轴组织 TC11 钛合金的超塑性变形行为  122-134
  7.1 超塑性概述  122-124
    7.1.1 超塑性的概念和分类  122-123
    7.1.2 钛合金的超塑性  123-124
  7.2 拉伸实验  124-126
    7.2.1 实验材料  124-125
    7.2.2 实验设备  125
    7.2.3 拉伸实验规范  125-126
  7.3 实验结果及分析  126-132
    7.3.1 拉伸实验参数对超塑性的影响  126-128
      7.3.1.1 拉伸温度对超塑性的影响  126
      7.3.1.2 拉伸应变速率对超塑性的影响  126-128
    7.3.2 超塑性变形的组织分析  128-132
      7.3.2.1 金相组织分析  128-131
      7.3.2.2 透射电镜分析  131-132
  7.4 本章小结  132-134
第八章 结论  134-137
参考文献  137-146
致谢  146-147
在学期间的研究成果及发表的学术论文  147-148

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属压力加工 > 锻造、锻压与锻工 > 锻造工艺
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