置氫Ti–6Al–4V合金室溫變形行為及改性機(jī)理研究.pdf

1、鈦及其合金具有比強(qiáng)度高、高溫性能好以及防腐蝕能力強(qiáng)等一系列優(yōu)異特性，在航空航天、船舶、海洋等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，是一種理想的金屬結(jié)構(gòu)材料。然而，大部分鈦合金在室溫下塑性低，冷成形容易開(kāi)裂，限制了鈦合金的冷態(tài)工藝性。由于室溫塑性成形所生產(chǎn)的零件機(jī)械性能好、精度高、表面質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高，是制造鈦合金零件的最經(jīng)濟(jì)手段。所以，有必要進(jìn)一步開(kāi)展鈦合金室溫塑性成形技術(shù)的基礎(chǔ)研究工作，盡快實(shí)現(xiàn)鈦合金室溫塑性成形技術(shù)的應(yīng)用。鈦合金熱氫處理技術(shù)可以改

2、善鈦合金的力學(xué)性能，但是氫對(duì)鈦合金室溫塑性變形行為的影響及其機(jī)理一直缺乏系統(tǒng)的研究，本文主要針對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。
　　利用光學(xué)金相顯微鏡、X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等材料分析設(shè)備研究了氫含量對(duì) Ti-6Al-4V合金微觀組織的影響，并對(duì)置氫 Ti-6Al-4V合金室溫壓縮變形過(guò)程中微觀組織的演變進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：置氫后，Ti-6Al-4V合金中發(fā)現(xiàn)馬氏體和氫化物等相。隨著氫含量的增加，β相、α''馬氏

3、體以及氫化物等相的含量逐漸增加，且氫化物優(yōu)先沿晶界或相界析出。氫促進(jìn)了位錯(cuò)的增殖。
　　利用INSTRON-5569型材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)合金進(jìn)行了室溫拉伸試驗(yàn)，研究了氫含量對(duì) Ti-6Al-4V合金室溫拉伸性能的影響。結(jié)果表明：置氫后，合金的室溫拉伸性能逐漸惡化，表明置氫不利于鈦合金的拉伸變形。為了揭示氫對(duì) Ti-6Al-4V合金拉伸斷裂行為的影響及機(jī)理，本文利用原位拉伸試驗(yàn)對(duì)合金拉伸變形過(guò)程中裂紋的萌生、擴(kuò)展及斷裂的全過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察

4、和錄像，并利用有限元模擬技術(shù)對(duì)合金的拉伸過(guò)程進(jìn)行了模擬，分析了拉伸變形過(guò)程中合金的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律。
　　利用ZWICK/Z100型材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)合金進(jìn)行了室溫靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，并利用電磁成形機(jī)對(duì)合金進(jìn)行了高速壓縮試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了氫含量和應(yīng)變速率對(duì)合金室溫壓縮性能的影響。結(jié)果表明：Ti-6Al-4V合金無(wú)論是在靜態(tài)下壓縮變形，還是在高速率下壓縮變形，合適的氫含量對(duì) Ti-6Al-4V合金的壓縮性能均存在有益的影響，可以顯著提高合金的極限

5、變形率（極限變形率的最大增幅達(dá)56.3％），降低對(duì)成形設(shè)備及模具的要求。
　　揭示了置氫鈦合金室溫塑性變形的改性機(jī)理，并建立了理論模型。氫對(duì)鈦合金室溫拉伸和壓縮性能的不同影響規(guī)律是由合金的氫含量及其受力狀態(tài)決定的。氫含量的影響可分為由固溶態(tài)氫和氫致相變引起的影響。拉應(yīng)力會(huì)加速晶界處裂紋的萌生和擴(kuò)展，并促進(jìn)晶間變形。隨著氫含量的增加，晶界或相界處氫化物的含量逐漸增加，導(dǎo)致晶界或相界逐漸變?nèi)?，使其力學(xué)性能逐漸惡化。而壓應(yīng)力可以抑制或削

6、弱裂紋的萌生和擴(kuò)展，減少合金的晶間變形。當(dāng)氫含量較低時(shí)，固溶態(tài)氫和氫化物對(duì)壓縮性能影響較小，影響壓縮性能的主要因素是晶內(nèi)變形，塑性β相含量的增加導(dǎo)致合金的塑性提高。隨著氫含量的增加，氫化物的含量逐漸增加，并聚集于晶界處，導(dǎo)致晶間變形的作用逐漸增加，使合金的塑性下降，此時(shí)脆性的氫化物相對(duì)合金的壓縮性能所起的作用逐漸增強(qiáng)。
　　根據(jù)熱重試驗(yàn)結(jié)果制定了置氫 Ti-6Al-4V合金的除氫規(guī)范，對(duì)置氫 Ti-6Al-4V合金進(jìn)行了真空除氫處

7、理，并對(duì)除氫合金的微觀組織及室溫力學(xué)性能等進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：除氫過(guò)程中，置氫 Ti-6Al-4V合金中亞穩(wěn)定相發(fā)生分解，轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的α相和β相，固溶氫及氫化物中的氫完全從合金中逸出，導(dǎo)致組織細(xì)化，但是晶粒形貌沒(méi)有恢復(fù)，導(dǎo)致合金的室溫力學(xué)性能有所恢復(fù)，但沒(méi)有完全恢復(fù)。
　　利用M-200型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)于室溫大氣中對(duì)合金進(jìn)行干滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)，以研究氫對(duì) Ti-6Al-4V合金摩擦磨損性能的影響。利用SEM及其EDS等材料分析方

8、法對(duì)磨損試驗(yàn)后的銷試樣及對(duì)磨盤的微觀形貌和成分進(jìn)行了觀察和分析，以揭示合金的磨損機(jī)理。結(jié)果表明：置氫后，合金的磨損率變大。除氫合金的磨損率低于相應(yīng)的置氫合金的磨損率，但仍高于未置氫合金的磨損率。合金的磨損率是由合金的性質(zhì)（主要是合金的硬度以及熱傳導(dǎo)率）決定的。未置氫合金主要呈現(xiàn)氧化磨損特征，置氫合金的磨損以磨粒磨損為主，除氫合金的磨損機(jī)理主要是氧化磨損和磨粒磨損。結(jié)果表明當(dāng)除氫合金應(yīng)用于摩擦磨損領(lǐng)域時(shí)，仍需進(jìn)行表面處理，以提高其抗磨性。