兩相鈦合金拉伸力學(xué)行為的研究.pdf

1、輕質(zhì)高強的α+β型鈦合金在軍事和民用領(lǐng)域內(nèi)具有廣泛的應(yīng)用，這類合金在服役過程中往往會遇到極端環(huán)境和極端加載條件，因此必須對α+β型鈦合金力學(xué)性能的準(zhǔn)確測試和有效表征開展系統(tǒng)的研究。本文針對兩相鈦合金TC11在較寬溫度和應(yīng)變率范圍內(nèi)的拉伸力學(xué)行為進行了實驗、宏觀表征和細觀數(shù)值模擬等研究，主要工作包含如下幾個方面:
　　1.對高應(yīng)變率拉伸加卸載試驗系統(tǒng)進行了改進，設(shè)計了變截面前置金屬短桿和高剛度的限位機構(gòu)，實現(xiàn)了更高應(yīng)變率的沖擊拉伸加

2、卸載試驗。對TC11實施了環(huán)境溫度213～873K、應(yīng)變率0.001～1150s-1范圍內(nèi)拉伸力學(xué)行為的實驗研究。利用沖擊拉伸試驗系統(tǒng)獲得了高應(yīng)變率(102～103s-1)范圍內(nèi)TC11的絕熱應(yīng)力-應(yīng)變曲線，利用沖擊拉伸復(fù)元試驗技術(shù)獲得了高應(yīng)變率范圍內(nèi)的等溫應(yīng)力-應(yīng)變曲線，利用沖擊拉伸加卸載試驗技術(shù)實施了變溫度和變應(yīng)變率測試。試驗結(jié)果表明，TC11是典型的彈塑性材料，其拉伸力學(xué)行為呈現(xiàn)出明顯的溫度和應(yīng)變率敏感特征，具體表現(xiàn)如下:初始屈服

3、應(yīng)力隨應(yīng)變率的提高而增大，其力學(xué)行為呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率強化效應(yīng)，且在中應(yīng)變率范圍，呈現(xiàn)出應(yīng)變率不敏感向應(yīng)變率敏感的轉(zhuǎn)折;初始屈服應(yīng)力隨溫度的升高而減小，其力學(xué)行為呈現(xiàn)出明顯的溫度軟化效應(yīng)，但在573-723K出現(xiàn)一個“反常溫度區(qū)間”，即初始屈服應(yīng)力表現(xiàn)出對溫度的不敏感;等溫塑性硬化行為在測試的溫度和應(yīng)變率范圍內(nèi)呈現(xiàn)出溫度和應(yīng)變率不敏感特征，高應(yīng)變率加載下的瞬態(tài)絕熱溫升是引起材料應(yīng)變硬化率明顯降低的主要原因;變溫度和變應(yīng)變率測試結(jié)果表明，

4、高應(yīng)變率加載時材料內(nèi)的熱功轉(zhuǎn)換系數(shù)約為0.9，且其拉伸力學(xué)行為無明顯的溫度和應(yīng)變率歷史效應(yīng)。
　　2.對拉伸變形后TC11試件的顯微組織以及斷口形貌進行了觀察。結(jié)果表明，初生等軸α晶和葉β片層晶群在頸縮區(qū)內(nèi)的局部塑性變形量可高達50％，且由于其晶體結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜性，內(nèi)部顯微組織呈現(xiàn)出明顯的非均勻變形現(xiàn)象。裂紋在初生α晶和α+β片層晶群內(nèi)部隨機穿過，斷口形貌由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇組成，三個區(qū)域依次對應(yīng)觀察到較深的等軸韌窩、較

5、淺的韌窩和拋物狀韌窩，TC11拉伸斷裂機理為典型的韌性斷裂。TC11的顯微斷裂應(yīng)變遠大于其失穩(wěn)應(yīng)變值，且隨著溫度的升高或應(yīng)變率的提高而增大，呈現(xiàn)出高溫高速韌現(xiàn)象。
　　3.結(jié)合TC11拉伸力學(xué)行為的特征，提出了一個修正的Johnson-Cook宏觀唯象本構(gòu)模型。修正模型計及了高應(yīng)變率加載時絕熱溫升對材料應(yīng)變硬化率的軟化效應(yīng)，以及溫度和應(yīng)變率對初始屈服應(yīng)力和應(yīng)變硬化行為不同的影響?；赥C11在不同溫度和應(yīng)變率加載時的等溫和絕熱應(yīng)力

6、-應(yīng)變曲線，確定了修正Johnson-Cook模型的材料參數(shù)，并利用變溫度和變應(yīng)變率加載試驗結(jié)果驗證了該修正模型的有效性。模型擬合結(jié)果和試驗結(jié)果吻合較好，說明該修正模型能較好地表征TC11在較寬溫度和應(yīng)變率范圍內(nèi)的拉伸力學(xué)行為。
　　4.基于經(jīng)典晶體塑性理論和等應(yīng)力均勻化方法建立了初生α晶和α+β片層晶群的各向異性本構(gòu)表征;利用隨機程序和有限元結(jié)合的辦法生成了計及初生α晶和α+β片層晶群的種類及其取向分布規(guī)律的細觀數(shù)值模型;通過對