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TC21钛合金β锻造组织的损伤容限性能分析研究

作　者: 朱丽英
导　师: 陈明和
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 钛合金损伤容限性能断裂韧性裂纹扩展速率裂纹扩展门槛值超塑性
分类号: TG146.23
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

TC21合金是一种具有高强、高韧、损伤容限型两相(α+β)新型钛合金,其具有优异的损伤容限性能,热变形是其主要的加工方式之一。不同的热变形工艺参数,得到不同形态的微观组织,其相应的机械性能也随之变化,因此,进行微观组织对损伤容限性能影响规律的研究,具有实际的工程应用意义。本文针对β锻造TC21合金微观组织与损伤容限性能之间关系进行了相关研究,主要工作如下:首先,在分析和研究了传统的损伤容限性能的研究方法的基础上,本文采用裂纹扩展断裂分析专用有限元软件FRANC2D/L,参照其宏观裂纹扩展的模式,模拟β锻造TC21合金微观组织的裂纹扩展过程。其次,利用该软件建立β锻造TC21钛合金网篮组织的不同片层厚度的晶粒模型,从微观的角度对疲劳裂纹的扩展过程进行模拟,分析在该过程中表征损伤容限性能的重要指标:微裂纹扩展速率da/dN、裂纹扩展门槛值△Kth、断裂韧性KIC之间的关系。结果表明:相同实验条件下,随着晶粒尺寸d的增大,△Kth变大,da/dN变快;采用分段模拟的方法得到疲劳裂纹扩展速率曲线,与实验结果进行对比,并进行误差和相关系数分析,吻合性较好。此外,对于β锻造TC21合金的复杂形状零件有可能进行后续的超塑成形加工,因此有必要研究该合金超塑成形的微观组织对损伤容限性能的影响。建立β锻造TC21合金不同温度下超塑性拉伸试样的晶粒模型、模拟扩展过程、分析其晶粒片层厚度对损伤容限性能的影响:随着温度的升高,晶粒发生聚集再结晶长大,da/dN随着片层尺寸的长大而升高,△Kth亦变大;并分析了网篮组织片层结构的断裂韧性较高的原因。同时,将模拟结果与实验结果进行对比,有一些出入,相关系数r逐渐降低,因为实验结果是在非超塑变形的条件下获得。通过上述的工作,得到如下结论:(1)模拟过程实现了微裂纹在各个扩展阶段的形状及扩展路径的变化,模拟结果与实验结果相吻合,该方法可行;(2)在相同的模拟条件下,片层厚度在[1.18~2.08]um之间增大,裂纹扩展门槛值△Kth及裂纹扩展速率da/dN均变大,损伤容限性能下降;(3)随着超塑性温度的升高,β锻造TC21合金的裂纹扩展速率da/dN变快,损伤容限性能逐渐变差;当温度升高到850℃以上,显微组织明显粗化,试样与原材料片层厚度之比大于3.26时,微裂纹快速扩展、迅速长大至到临界尺寸,试样断裂。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-13
第一章绪论  13-21
  1.1 引言  13
  1.2 高强高韧损伤容限型TC21 钛合金  13-14
  1.3 钛合金锻造工艺与TC21 合金微观组织及性能  14-17
    1.3.1 锻造工艺与钛合金微观组织  14-16
    1.3.2 TC21 合金网篮组织与损伤容限性能  16-17
    1.3.3 微观组织对损伤容限性能影响的研究方法  17
  1.4 国内外研究的技术现状  17-19
  1.5 题的意义和主要研究内容  19-21
    1.5.1 选题的意义  19
    1.5.2 主要研究内容  19-21
第二章损伤容限性能的理论基础  21-31
  2.1 引言  21
  2.2 损伤容限设计与选材判据的变化  21-22
  2.3 断裂力学基本理论  22-25
    2.3.1 K 判据  22-24
    2.3.2 能量释放率理论  24
    2.3.3 COD 理论  24-25
    2.3.4 J 积分理论  25
  2.4 疲劳断裂的重要性  25-27
  2.5 疲劳裂纹扩展的微观机理  27-30
  2.6 本章小结  30-31
第三章 β 锻造 TC21 合金超塑性变形后微观组织研究  31-54
  3.1 引言  31
  3.2 β 锻造 TC21 钛合金超塑性拉伸实验  31-37
    3.2.1 实验设备  31-32
    3.2.2 实验材料与方法  32-34
    3.2.3 应变速率敏感性指数m 值的测定  34-37
  3.3 拉伸温度对 β 锻造 TC21 超塑性及显微组织的影响  37-43
  3.4 应变速率ε 对 β 锻造 TC21 超塑性及显微组织的影响  43-46
  3.5 β 锻造 TC21 合金断裂行为及其机理  46-53
    3.5.1 拉伸试样断口SEM 观察  47
    3.5.2 断口形貌分析  47-53
  3.6 本章小结  53-54
第四章 β 锻造 TC21 钛合金的微观组织裂纹扩展模拟  54-80
  4.1 引言  54
  4.2 FRANC2D/L 软件简介  54-57
    4.2.1 FRANC2D/L 功能及应用  54-56
    4.2.2 FRANC2D/L 疲劳裂纹分析的理论基础  56-57
    4.2.3 数值模拟的分析过程  57
  4.3 β 锻造 TC21 合金网篮组织裂纹扩展模拟  57-74
    4.3.1 前处理  57-59
    4.3.2 求解  59-60
    4.3.3 裂纹萌生及扩展  60-62
    4.3.4 后处理  62-69
    4.3.5 网篮组织模拟结果分析  69-74
  4.4 超塑拉伸后网篮组织裂纹扩展模拟  74-78
  4.5 本章小结  78-80
第五章总结与展望  80-82
  5.1 总结  80-81
  5.2 展望  81-82
参考文献  82-86
致谢  86-87
在学期间的研究成果及发表的学术论文  87

TC21钛合金β锻造组织的损伤容限性能分析研究

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