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TC18钛合金热变形行为与热处理数值模拟

作　者: 陈涛
导　师: 朱景川
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料学
关键词: TC18钛合金热压缩应力松弛数值模拟
分类号: TG146.23
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

钛合金是一种在航空航天工业广泛应用的金属,具有强度高、塑性好、高温性能好等优点。TC18钛合金是一种近β型钛合金,其经过热处理后的室温屈服强度可以达到1100MPa左右,同时保持较高的塑性；另外其还具有优良的高温性能,广泛应用于航空领域,作为承力结构件。钛合金由于弹性模量低、屈强比高、成型易于回弹等特点,经常需要经过模锻和等温锻造等工艺进行加工成型。通过得到材料在高温下的流变应力规律及热加工图,可指导成型设备的选择及成型工艺的制定。同时,钛合金由于机加工、焊接等工序易于留下残余应力,经常采用热处理作为其最终工序。为了控制热处理中发生的变形,经常在热处理的时候施加工装进行校形,即热校形。热校形的本质是应力松弛。目前,钛合金构件的热校形尚未实现精确控制,工装施加的时间、大小主要凭经验控制。通过应力松弛试验得到其应力松弛方程,可以作为热校形精确控制的基础。另外,热处理过程是一个多场耦合的复杂过程,通过试验研究较为困难,通过数值模拟的方法,采用随温度变化的材料参数进行非线性数值模拟,可得到较为精确的仿真结果。本文主要研究了TC18钛合金的热压缩变形行为及应力松弛行为,并进行了某航空用TC18钛合金长直杆件的焊后热处理数值模拟。两相区和单相区的变形抗力方程分别为；根据热加工图,可得失稳区主要发生在温度为650℃-800℃,应变速率为0.02s-1-1s-1的区域,少部分分布在850℃-950℃间的高应变速率区；动态再结晶可能发生的区域为在750℃-850℃应变速率为0.001s-1-0.01s-1及950℃-1000℃应变速率为0.1s-1-1s-1区域；适宜进行热加工的区域为：700℃-850℃应变速率为0.001s-1-0.01s-1,850℃-950℃应变速率为0.01s-1-0.1s-1。对两相区热压缩后试样的透射及EBSD分析表明：在高温变形过程中,α相主要发生变形,较少发生回复与再结晶；β相在温度相对较低时主要发生再结晶,温度升高时回复占主要部分。原始态由于存在残余应力,不能通过应力松弛试验拟合得到应力松弛方程；去应力退火态的应力松弛曲线规律性较好,可得其应力松弛极限与温度的关系为(σ∞=224.3222+0.59101T+3.87119T2,650℃时其剩余应力与时间的关系为：σ=4.05+(σ0-4.05)Ae,其中A=1.0334,T=4.9057。对TC18长直杆件的焊接及热处理数值模拟表明,焊后杆件残余应力较大,达到了700a；经过退火热处理后残余应力降为86.4MPa。焊后杆件在方形槽处及实心件处会发生一个船形弯曲,最大位移量为1.21mm。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-20
  1.1 课题背景  11-12
  1.2 钛合金热压缩行为的研究  12-15
    1.2.1 热压缩试验  12
    1.2.2 真应力-真应变曲线的数学模型  12-13
    1.2.3 热加工图理论与应用  13-14
    1.2.4 钛合金热压缩行为的研究现状  14-15
  1.3 钛合金应力松弛行为的研究  15-17
    1.3.1 应力松弛行为的概念、特点和影响因素  15-16
    1.3.2 应力松弛行为的表征  16
    1.3.3 钛合金应力松弛行为的研究现状  16-17
  1.4 焊后热处理的研究  17
  1.5 热处理数值模拟技术  17-19
    1.5.1 常用有限元分析软件简介  17-18
    1.5.2 热处理数值模拟研究现状  18-19
  1.6 主要研究内容  19-20
第2章试验材料及研究方法  20-28
  2.1 试验材料  20
  2.2 相变点测试  20-21
    2.2.1 金相法测量相变点  20
    2.2.2 DTA 测量相变点  20-21
  2.3 显微组织观察与分析  21-22
    2.3.1 金相组织观察  21
    2.3.2 扫描电镜观察  21
    2.3.3 透射电镜观察  21
    2.3.4 XRD 衍射分析  21-22
  2.4 力学性能测试  22-24
    2.4.1 拉伸性能测试  22-23
    2.4.2 热压缩试验  23
    2.4.3 应力松弛试验  23-24
  2.5 温度场和应力应变场的数值模拟  24-28
    2.5.1 求解温度场的基本原理  24-26
    2.5.2 弹塑性力学基本理论  26-27
    2.5.3 有限元的基本思想  27-28
第3章 TC18 钛合金热压缩变形行为及其本构关系  28-49
  3.1 引言  28
  3.2 TC18 钛合金原始材料研究  28-35
    3.2.1 金相组织观察  28-29
    3.2.2 TC18 钛合金α→β相变点测试  29-31
    3.2.3 原始样扫描电镜分析  31-33
    3.2.4 原始样 XRD 衍射分析  33
    3.2.5 原始样透射电镜分析  33-35
  3.3 TC18 钛合金高温流变应力本构方程  35-41
    3.3.1 TC18 钛合金热压缩试验曲线  35-37
    3.3.2 TC18 钛合金两相区流变应力本构方程  37-40
    3.3.3 TC18 钛合金单相区流变应力本构方程  40-41
  3.4 TC18 钛合金热加工图与显微组织演变  41-47
    3.4.1 热加工图的绘制  41
    3.4.3 TC18 钛合金热加工图  41-43
    3.4.4 TC18 钛合金热加工失稳区与可加工区组织观察  43-44
    3.4.5 TC18 钛合金两相区高温变形回复与再结晶分析  44-47
  3.5 本章小结  47-49
第4章 TC18 钛合金应力松弛行为及其本构关系  49-61
  4.1 引言  49
  4.2 TC18 钛合金典型热处理组织与力学性能  49-51
  4.3 原始样应力松弛行为的研究  51-53
  4.4 TC18 退火态应力松弛行为的研究  53-60
    4.4.1 TC18 钛合金退火态应力松弛行为与温度的关系  54-56
    4.4.2 初应力对 TC18 钛合金应力松弛行为的影响  56-58
    4.4.3 组织对 TC18 钛合金应力松弛性能的影响  58
    4.4.4 应力松弛本构方程的建立  58-60
  4.5 本章小结  60-61
第5章 TC18 钛合金长直杆件热处理数值模拟  61-74
  5.1 引言  61
  5.2 TC18 钛合金长直杆件真空电子束焊接过程的模拟  61-68
    5.2.1 电子束焊接简介  61-62
    5.2.2 电子束焊接数值模拟有限元模型的建立  62-63
    5.2.3 电子束焊接数值模拟结果分析与讨论  63-68
  5.3 TC18 钛合金长直杆件焊后退火热处理数值模拟  68-72
    5.3.1 边界条件设定  68-69
    5.3.2 退火加热过程残余应力及变形规律  69-71
    5.3.3 退火冷却过程残余应力及变形规律  71-72
  5.4 应力松弛方程的导入  72
  5.5 本章小结  72-74
结论  74-76
参考文献  76-80
攻读硕士期间发表的论文及其他成果  80-82
致谢  82

TC18钛合金热变形行为与热处理数值模拟

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