杜东兴[1]2014年在《表面改性与完整性对钛合金疲劳行为的影响》文中研究表明钛合金是制造飞机起落架、襟翼滑轨和航空发动机压气机等关键零部件的重要材料，常规疲劳（PF）和微动疲劳（FF）是影响这类钛合金重要部件的主要隐患。为满足大型客机起落架和襟翼滑轨研发的需求，我国自主开发了TC18和TC21新型高强度钛合金，高强度钛合金的疲劳性能对表面完整性十分敏感，机械加工和表面处理会对其表面完整性和疲劳性能产生重要影响。钛合金属于难加工材料，为保证TC18和TC21钛合金零部件的疲劳抗力，研究机加工表面完整性对这类钛合金疲劳抗力的影响规律和机理十分必要。喷丸强化（SP）是提高钛合金疲劳抗力的重要手段；超音速火焰喷涂（HVOF）WC-Co涂层是改善钛合金起落架、襟翼滑轨耐磨性能的重要方法，但不利于疲劳性能。然而，有关SP、喷砂预处理与HVOF WC-Co涂层复合对高强度钛合金疲劳抗力影响规律的研究较少。为此本文以TC18与TC21钛合金为研究对象，研究机加工表面完整性对高强度钛合金疲劳行为的影响规律和机制；探讨SP及其完整性对高强度钛合金疲劳行为的影响规律与机理；对比研究喷砂、喷丸与HVOF WC-17Co涂层复合处理对新型高强度钛合金疲劳行为的影响规律及作用机制。此外，有关类金刚石膜（DLC）、类石墨膜（GLC）对钛合金FF抗力影响的异同性，以及TiN与Ag复合膜对钛合金FF行为影响规律与作用机制的研究尚未见报道，故本文选择常用的TC4钛合金为对象，研究上述膜层对钛合金FF行为的作用规律和机制，拟为改善钛合金抗FF性能寻求新途径。本文取得的主要结果如下：（1）研究发现车削加工走刀量是影响高强度钛合金表面完整性最显着的因素，粗车、精车及精车后抛光的高强度钛合金的疲劳抗力有显着差异，此归于机加工方式对高强度钛合金表面完整性的不同影响作用，机加工表面粗糙度和纹理特征的差异是影响高强度钛合金表面完整性和疲劳抗力的主导因素。同时发现“α+β相”网篮组织的TC21钛合金较“等轴α相+条状α相+β转变相”组织的TC18钛合金具有更高的缺口敏感性。喷丸强化能够有效抑制与疲劳载荷垂直取向的机加工沟槽造成的缺口效应，显着提高了高强度钛合金的疲劳抗力，此归于喷丸强化引入了分布较深的表面残余压应力场，并部分去除了有害的沟槽，有效延缓了疲劳裂纹的萌生和早期扩展。（2）合理强度的喷丸处理能够显着提高TC21和TC18钛合金的疲劳抗力，主要原因归于SP处理引入的残余压应力使疲劳裂纹源移至钛合金次表层，喷丸造成的加工硬化和组织细化阻碍疲劳裂纹的萌生，喷丸残余压应力场阻止或延缓疲劳裂纹萌生与扩展。SP改善高强度钛合金抗疲劳性能的效果与SP强度的关系不是单调变化规律，原因归于SP对钛合金表面存在有利和不利双重影响因素，在合理的SP参数下有利因素起主导作用，钛合金可获得良好的表面完整性和高的疲劳抗力。然而，当SP强度过高时，表面粗糙度增大、表面脱层或开裂等不利因素起主导作用，降低了SP的强化效果，甚至造成有害影响。强度相近的TC21和TC18钛合金因表面缺口敏感性和SP形变行为不同，所需的最佳SP强度和强化效果也不同。因此对于强度相近但组织不同的材料不宜盲目规定统一的SP工艺。（3）HVOF WC-17Co涂层处理使TC21钛合金疲劳抗力显着降低，此归于WC-17Co涂层韧性低、表面粗糙度大，以及表面有残余拉应力和孔洞缺陷存在。喷砂前处理后进行WC-17Co涂层处理使TC21钛合金基材疲劳抗力降低程度更大，原因主要是WC-17Co涂层固有疲劳抗力差，同时，HVOF过程的高温效应使喷砂引入的表面残余压应力严重松弛，进而使喷砂造成的表面缺口效应的不利影响突显。SP前处理后进行WC-17Co涂层处理使TC21钛合金疲劳抗力降低的程度明显比喷砂前处理试样低，原因归于SP引入的残余压应力层深和数值较大，HVOF过程中松弛程度不显着。（4）对HVOF WC-17Co涂层进行抛光处理能使其抗疲劳性能得到改善，采取合理的喷丸参数对抛光处理的HVOF WC-17Co涂层进行SP后处理能够进一步改善其抗疲劳性能，其疲劳抗力明显高于TC21钛合金基材，此归于SP在WC-17Co涂层表面引入了合理分布的残余压应力，同时未明显增大表面粗糙度和造成表面损伤。然而，当SP强度过高时，SP造成WC-17Co涂层开裂和界面分离，同时使涂层表面引入的残余压应力松弛，不利于涂层的抗疲劳性能。（5）非平衡磁控溅射离子镀DLC与GLC硬质润滑膜层均能有效改善TC4钛合金的抗微动磨损（FW）性能和抗FF性能，原因归于这两种膜层有良好的减摩性能。DLC膜层抗FF性能明显优于GLC膜层，此归于DLC膜层具有更高的膜基结合强度和良好的强韧综合性能。研究同时发现膜基结合强度和强韧综合性能对FF抗力的影响作用比摩擦因数的影响更大。（6）在硬质TiN膜层中掺杂一定量的Ag元素（0.5%～20%Ag原子比）制备的TiN-Ag复合膜层由纳米晶的TiN相和Ag单质相组成，能够有效提高钛合金的抗FW和抗FF性能，抗FF性能优于TiN膜或Ag膜，原因归于复合膜层具有良好的强韧综合性能、减摩润滑性能和高的膜基结合强度。当复合膜层中Ag原子含量在2%~5%时，抗FF性能最优，此归于该复合膜层具有最佳的表面完整性，有效抑制了FF裂纹的萌生和早期扩展。在软质Ag膜层中掺杂一定量的TiN相（60%～80%Ag原子比）制备的Ag-TiN复合膜层能够有效提高钛合金的抗FW和抗FF性能，抗FF性能同样优于TiN膜或Ag膜，原因归于该类复合膜层具有较好的强韧综合性能、减摩润滑性能和较高的膜基结合强度，同时这类膜层中有数值较大的残余压应力存在。然而，当Ag原子含量高于90%时，TiN相难以形成，复合膜层的强韧性能未能得到有效改善，抗FF性能不及TiN或Ag膜层。（7）研究发现在膜层结合强度足够高和强韧综合性能足够优的前提下，硬质固体润滑膜层（GLC和TiN-Ag复合膜层）因拥有更高的承载能力和抗磨耐久性，故表现出比软质固体润滑膜层（Ag膜和Ag-TiN复合膜）更好的抗FF性能。钛合金抗FW和抗FF性能所需要的表面完整性较为一致，但抗FF性能对表面膜层的强韧综合性能的要求更高，影响离子增强沉积膜层抗FF性能的重要因素包括膜基结合强度、膜层强韧综合性能、膜层的减摩润滑性能，此外，残余压应力也有一定的影响作用，只有这些因素达到最佳匹配从而获得最好的表面完整性时，膜层才能达到显着提高钛合金抗FF性能的目的。
何晓[2]2003年在《含氢的新型钛合金的疲劳行为研究》文中研究表明本文介绍了前人在疲劳理论方面的研究成果，重点论述了近年来有关氢对钛合金疲劳性能的影响方面的理论和实验研究进展，在此基础上，研究了氢对两种新型钛合金Ti-2Al-2.5Zr和Ti-4Al-2V静拉伸性能和疲劳性能的影响，并考察了频率和载荷比对含氢的两种材料的影响规律，讨论了氢在动态载荷和静态载荷下对裂纹扩展的影响程度，提出了氢影响疲劳性能的微观机理，建立了相关的几何模型和数学模型。 实验采用厚度2.0mm的退火薄板，根据应用要求将试样分为自然含氢量、充氢100μg/g、150μg/g和270μg/g四组，用漏斗形试样测定了氢对疲劳形变和疲劳裂纹萌生的影响曲线，用CT(紧凑拉伸)试样测定氢对疲劳裂纹扩展速率da/dN的影响曲线，并对试样进行了金相观察、TEM分析和断口分析。 研究表明，充氢对Ti-2Al-2.5Zr合金的抗拉强度和屈服强度基本没有影响，但可使Ti-4Al-2V合金的强度提高约16％，充氢使两种材料的断面收缩率明显下降。 Ti-2Al-2.5Zr合金充氢后使疲劳裂纹萌生寿命大幅下降，自然含氢量的材料具有最高的疲劳寿命。疲劳载荷较大时，氢含量在100～270μg/g内变化对疲劳裂纹萌生寿命几乎没有影响，疲劳载荷较小时，氢含量越高，疲劳寿命越低。氢对Ti-4Al-2V合金疲劳寿命的影响较小，在较大疲劳载荷下，氢含量在100～280μg/g内变化对疲劳裂纹萌生寿命影响微弱，但明显高于自然含氢量的材料的疲劳寿命，这是由于充氢使这种材料的屈服强度提高的缘故。疲劳载荷较小时，与Ti-2Al-2.5Zr合金类似，氢含量越高，疲劳寿命越低。 氢含量对Ti-2Al-2.5Zr和Ti-4Al-2V合金疲劳裂纹扩展速率有明显影响。对Ti-2Al-2.5Zr合金，氢含量越高，裂纹发生失稳快速扩展时应力强度因子越低，这是由于氢化物降低了材料的断裂韧性；对Ti-4Al-2V合金，含氢280μg/g时裂纹的近门槛扩展速率最低，这主要是由于固溶氢原子促进了材料局部塑性变形，使塑性诱发的裂纹闭合效应显着。氢含量对两种材料的疲劳裂纹稳态扩展速率没有影响。 频率在3一15Hz变化时对充氢的Ti一4AI一ZV材料的疲劳断裂累积形变量和疲劳寿命有影响，但对自然含氢量材料没有明显的影响。当充氢11609/g时，频率升高，循环总应变量降低，疲劳寿命提高。这与氢原子促进材料塑性变形机制有关。 载荷比对Ti一 ZAI一2.52:材料的循环形变和疲劳寿命有明显影响。较高的载荷比使材料在疲劳历程中的塑性变形速率下降。载荷比越高，氢对材料疲劳寿命的不利影响越大。 通过对比含氢110pg/g的Ti一ZAI一2.szr材料静载延迟断裂特性，发现在相同氢含量下氢对动态加载和静态加载下的裂纹扩展速率的影响程度不同，在静态加载下发生典型的氢原子的扩散聚集和在裂纹尖端析出氢化物的过程，从而发生氢致延迟断裂;而在疲劳载荷下氢的影响远远弱化，这主要是因为疲劳载荷对材料的累积损伤掩盖了氢的影响。 总的来说，对于这两种新型钦合金，氢对疲劳性能有较为明显的影响，但氢对两种材料的微观作用模式有区别。对Ti‘ZAI一2.52:材料，固溶氢原子的含量很少而氢化物的含量较大，因而氢化物的影响占主导;对Ti一4AI一ZV材料则相反，固溶氢原子的含量较大而氢化物的含量很少，因而固溶氢原子的影响占主导。
籍龙波[3]2011年在《显微组织与微量氢对钛合金电子束焊接接头疲劳特性的影响》文中研究表明由于具有优良的拉伸、疲劳强度与耐腐蚀性能的优点,钛合金在航空、化学工程及医学等领域广泛应用。对于航天用钛合金,疲劳性能是一个重要的参数,特别是用作结构材料,焊接是一种必不可少的手段,焊接后焊接接头中存在较大组织与力学性能的不均匀性,对其疲劳性能也有深刻的影响。钛与氢具有很好的结合力,焊接接头中微量氢的存在,对焊接接头的性能将产生深刻的影响,许多研究都致力于找出氢对钛合金性能影响的机理。本文对TC4与TA15两种钛合金电子束焊接接头的分区疲劳扩展差异,结合裂纹尖端微区形态分析,探讨了显微组织对合金疲劳行为的影响;并对微量的氢元素对钛合金的疲劳性能进行研究,为钛合金的应用提供理论基础。本文的主要研究内容及成果为:①疲劳裂纹扩展速率试验表明:距焊缝上表面5/6处裂纹扩展速率最快,1/6处速率次之,3/6处裂纹扩展最慢,且研究中硬度梯度越大处,裂纹扩展速率越高;焊接接头分区裂纹扩展试验表明:热影响区裂纹扩展速率最高,其次为焊缝区,母材区裂纹扩展最缓慢。母材等轴组织裂纹扩展抗力最大;焊缝区马氏体成束分布且取向各异,导致裂纹扩展路径曲折,裂纹扩展抗力居中;热影响区硬度梯度最大,疲劳过程中,α相与马氏体变形不匹配,裂纹扩展抗力最低。②疲劳裂纹尖端的微区形态研究表明:经历疲劳循环后,位错密度大大增加,α/β相界面位错密度高,易成为位错形核的源区。焊缝区马氏体板条之间的细碎相细碎相易成为疲劳裂纹形核的“软点”,焊缝区较窄的马氏体板条,易成为疲劳裂纹萌生的源区。热影响区软质α相与硬质马氏体相变形不匹配,大大降低了裂纹的扩展抗力。此外,通过分区TEM对比研究,发现了焊缝区相对于母材更易萌生裂纹的相关证据。③微量氢对TC4疲劳性能影响的研究表明:在置氢含量低于0.120 wt.%,氢以固溶形态存在于TC4中,疲劳寿命随平均氢含量增加而急剧下降。氢的加入在一定程度上粗化了β相,β相粗化造成α与β相界面的协调能力下降,缺陷将沿α与β相界面聚集,从而成为二次裂纹源。在应力作用下裂纹尖端聚积了原子氢,加速了裂纹扩展。氢含量的提高在增加TC4硬度的同时,减少了TC4的塑性与韧性。显微组织分析表明,位错在次生的α、β相区聚集,且α/β相界往往是裂纹萌生的根源。固溶的原子氢导致驻留滑移带软化,降低了裂纹扩展的门槛值,从而增加了裂纹的扩展速率。④微量氢对TA15疲劳性能影响的研究表明:置氢含量低于0.105wt.%,氢以固溶形态存在于TA15焊缝中,疲劳寿命及扩展寿命随平均氢含量增加剧烈下降。这是由于氢降低了合金的韧性并增加了裂纹扩展速率。母材比焊接接头具有更高的裂纹扩展抗力。组织分析表明,电子束焊接TA15钛合金生成马氏体α'相,由于马氏体片束取向分布导致扩展后期形成团簇结构;氢沿相界聚集,加速了裂纹沿马氏体团的扩展速率,在断口上留下了“胞状”形态。马氏体团作为一个单元共同承受变形,固溶氢有加速裂纹沿“胞状”组织边界扩展的作用。⑤TA15小裂纹尖端微区形态研究中,测定了TA15的△K-da/dN曲线,拟合得到曲线方程为:da/dN=6.93×10~(-10)(△K)~(2.61),并通过计算得到裂纹尖端循环塑性区尺寸为166.17μm,研究发现TA15α相分布取向接近,加速了疲劳裂纹扩展。对小裂纹阶段的尖端形态进行了研究,发现了裂纹尖端塑性区及滑移带特征;裂纹尖端塑性区对疲劳裂纹扩展影响深刻。裂纹扩展通过尖端锐化-粗化-再锐化的过程实现的,其过程伴随着裂纹尖端位错运动、聚集及滑移带形成,滑移在相界处发生一定角度的偏折,而由于TA15中α相分布取向接近,弱化了相界对裂纹扩展的阻碍作用。
陈斌[4]2010年在《TC4钛合金高能束流焊接接头组织与疲劳性能研究》文中认为本文对TC4钛合金高能束流(激光焊LBW和电子束焊EBW)搭接与迭焊接头的疲劳断裂行为进行了详细研究。首先应用ANSYS软件对焊接接头的应力集中进行了计算分析;其次对焊接接头微观组织、显微硬度、疲劳强度及寿命特性进行了试验研究,对疲劳断口上的焊接缺陷进行了观察与分析,探讨了焊接缺陷对疲劳行为的影响,对疲劳断口用扫描电镜(SEM)观察;最后焊接接头疲劳裂纹的萌生和扩展行为进行了分析讨论,探讨了焊接缺陷与疲劳强度的相互影响规律。有限元计算分析表明,焊接接头类型和搭接间隙是影响应力集中的关键因素,搭接接头应力集中为6.8~7.3明显高于迭焊接头的1.4~2.3,但搭接接头间隙的增大对应力集中影响较小;激光迭焊接头最大应力都出现在焊缝上板咬边缺陷处;而电子束焊最大应力出现在上板咬边或是下板凸高处。疲劳试验结果表明,TC4钛合金高能束流焊搭接接头疲劳断裂位置都出现在热影响区。通过对疲劳寿命进行线性拟合分析得出:激光焊对应N=2×106疲劳寿命下,搭接疲劳强度为41.3MPa,而电子束焊接接头所对应的疲劳强度为39.7MPa;激光迭焊焊接接头所对应的疲劳强度为210.3MPa,而电子束焊接接头所对应的疲劳强度184.1MPa,激光焊接接头具有更高的疲劳强度。对于搭接接头,影响其疲劳强度的主要因素为搭接间隙;对于激光迭焊焊接接头,随着咬边深度和焊缝根部凸高的增加,疲劳强度不断下降;对电子束焊表面进行重熔,使得其疲劳强度平均提高80%。疲劳断口分析表明,应力水平和接头形式对TC4钛合金焊接接头疲劳断裂特征的影响较大。随着应力水平的增加,断口疲劳源区和扩展区的光滑小刻面数量增多,裂纹扩展初始阶段层片状开裂的二次裂纹更加明显,扩展区变得粗糙,高度差增大;搭接接头存在多个裂纹源,裂纹扩展速度快,基本不产生二次裂纹。微观组织分析表明,原始TC4母材中细小的α+β等轴晶粒结构经焊后转变为α+β和α′马氏体交叉混合不均匀和粗化组织结构。激光焊缝中的网篮状α′马氏体组织要多于电子束重熔焊缝中的,而热影响区中情况刚好相反。激光焊上板与下板的焊缝和热影响区硬度均高于母材,而电子束焊上板的焊缝区的硬度值和母材相当,下板的焊缝和热影响区硬度均高于母材。研究结果为激光和电子束焊接在航空制造领域的应用提供重要参考依据。
叶君[5]2015年在《钛合金表面化学转化膜的制备及成膜机理研究》文中提出本文针对钛合金与有机涂层结合性能差的问题,研究了钛合金表面化学转化膜的制备工艺。根据选定的转化液基础配方,以转化膜膜重、转化膜与漆膜的结合力为评价指标,采用正交试验及单因素试验对转化液成分、转化工艺进行了优化;通过电位-时间曲线对转化膜生长过程进行了研究;在钛合金化学转化过程中,以转化液中磷酸根离子和氟离子的消耗量为指标调整转化液;采用SEM、EDS、XRD研究分析化学转化膜的表面形貌和成分,结果表明:在Na3PO4·12H2O 40 g/L,NaF 20 g/L,酸度调节剂25mL/L,p H值4.4~4.8,温度30℃条件下,对TC1钛合金转化处理6min,对TC4钛合金转化处理8min可以分别在其基体上获得一种灰黑色均匀的膜层,该化学转化膜经过100℃烘干处理30min后可进一步提高其与漆膜的结合力。测试结果表明:TC1、TC4钛合金化学转化膜试样与航空常用漆TB06-9底漆干法结合力、湿法结合力分别达到0级、1级;TC1、TC4钛合金表面化学转化膜试样分别通过了120h、144h盐雾实验;TC1化学转化膜试样的含氢量较基体增加了25.86 ppm,TC4增加了4.28ppm,二者均小于30ppm,满足钛合金零件使用规定;该化学转化工艺处理不会损伤钛合金的疲劳性能,甚至还略有提高。本文确定了连续加工过程中化学转化槽液中主要成分PO43-、F-、总酸度及Ti4+的分析及补加方法,并进行了生产验证。Na3PO4、Ti4+含量变化均可通过分光光度法测定;NaF浓度变化可采用直接电位法分析;总酸度变化可以通过酸碱滴定法确定。电位-时间曲线表明:转化45s之后转化液中Ti4+浓度上升到转化膜生长所需浓度,转化膜开始生长;随着Ti4+的消耗生长速度开始下降,600s后膜层生长溶解达到平衡,膜层不再生长,这与测试得到的膜层生长速率曲线相符合。SEM结果表明:钛合金化学转化膜由许多细小的球状晶粒组成,膜层结晶均匀、晶粒大小相近,同时晶粒之间存在微小的间隙。此结构既能保证膜层具有良好的表面形态,同时微间隙的存在有助于提高化学转化膜与漆膜的结合力;XRD结果显示:转化膜出现了大量的Na3TiOF5相和Na2TiF6相,且Na3TiOF5相衍射峰的数量和峰值高于Na2TiF6相,即膜层中Na3TiOF5相含量略高。
王祥[6]2017年在《激光喷丸强化TC4钛合金抗氢脆性能及机理》文中研究指明钛合金是海洋、航天工程中常用的金属材料,服役环境对其抗氢脆性能提出了更高的要求。目前常采用表面改性方法来提高其表面机械性能。激光喷丸是利用激光冲击波效应在合金表层引入残余压应力从而实现表面改性的一项新技术,其具有强化效果更优、可控性强且加工更为柔性化等优点。本文以典型TC4钛合金为研究材料,开展激光喷丸及电解充氢试验,通过研究激光喷丸对TC4钛合金充氢前后表层显微硬度、微观组织、拉伸力学性能及宏观微观断口形貌的影响,探讨激光喷丸TC4钛合金抗氢脆机理,其核心研究内容如下:(1)从理论上分析了激光冲击波作用于合金表面的强化机理,研究了TC4钛合金在高应变率强烈塑性变形条件下的微观结构响应机理,制定激光喷丸TC4钛合金的喷丸路径和试验参数,揭示了氢扩散行为及其影响因素,探讨了激光喷丸抗氢脆机理。(2)比较了喷丸与未喷丸TC4钛合金在电解充氢前后微观组织和显微硬度的差异。根据激光喷丸强化引入残余压应力分布原理,分析激光喷丸对氢渗透影响机制。结果显示:激光喷丸在TC4钛合金表层引入幅值较大的残余压应力,并使TC4钛合金表层晶粒细化,电解充氢过程中进入试样的氢浓度随晶粒尺寸的减小而降低,合金氢脆敏感性降低;激光喷丸后合金的硬度提高,经电解充氢处理后出现氢致硬化现象,并且随着激光功率密度增加,氢致硬化率增速趋缓,激光喷丸受氢的影响变小,激光喷丸提高了TC4钛合金抗氢脆性能。(3)对喷丸与未喷丸的TC4钛合金在电解充氢前后进行室温慢拉伸试验,研究其力学性能变化。试验结果表明:激光喷丸提高了TC4钛合金抗拉强度及延伸率,并且随激光功率密度的增加,其抗拉强度及延伸率也增加;经电解充氢处理后,TC4钛合金抗拉强度及延伸率均降低,并且随激光功率密度的增加,氢致延伸率损失降低,TC4钛合金氢脆敏感性随激光功率密度的提高逐渐减小。观察试样断口形貌,发现其微观断口均为典型韧窝形貌,激光喷丸后韧窝更深且更大并且均匀,显示出更好的韧性;经电解充氢处理后,未喷丸的TC4钛合金出现准解理断裂,韧性变差,但喷丸后的TC4钛合金依然呈现出较好的韧性。
顾浩洋[7]2016年在《金属材料疲劳小裂纹扩展行为研究》文中提出船舶与海洋结构物长期服役于恶劣环境的工况,承受风、波浪、海流等多种载荷的作用。在众多载荷破坏形式中,疲劳破坏是船舶与海洋结构物主要的破坏形式之一。在实际工程中,很多构件的疲劳断裂并不是从预期的长裂纹缺陷开始的,而是从小裂纹扩展行为就已经开始。大量研究表明,金属材料的疲劳小裂纹扩展行为与长裂纹扩展行为之间存在很大的差异。为此,本文开展了金属材料疲劳小裂纹扩展行为预报研究,从而为工程应用提供一种有效的考虑小裂纹效应的疲劳裂纹扩展速率及全寿命预报模型。本文基于疲劳裂纹扩展理论,对金属材料疲劳小裂纹扩展行为展开了研究,为工程应用提供一种有效的考虑小裂纹效应的疲劳裂纹扩展速率及全寿命预报模型。首先,本文针对现有的金属材料疲劳小裂纹扩展行为研究进行了总结与分析,重点研究了小裂纹理论及现有小裂纹扩展预报模型;其次,对疲劳小裂纹尖端塑性区域及小裂纹门槛值进行了修正,提出了金属材料疲劳裂纹扩展预报修正模型,研究了其在小裂纹门槛值预报及对小裂纹Kitagawa效应解释等方面的应用;同时,还分析了金属材料疲劳裂纹扩展预报模型中各参数的灵敏;此外,本文还利用所提模型对钛合金、铝合金等材料的疲劳小裂纹扩展速率、长裂纹扩展速率、疲劳全寿命进行了预报;最后,本文还进行了钛合金Ti-6Al-4V材料的平面应变断裂韧性ICK的测定和钛合金Ti-6Al-4V材料的疲劳寿命试验研究。验证了本文所提金属材料疲劳小裂纹扩展预报模型的适用性,为工程应用提供一种有效的考虑小裂纹效应的疲劳裂纹扩展速率及全寿命预报方法。本文具体工作如下:(1)金属材料疲劳小裂纹理论研究。对金属材料疲劳小裂纹效应的概念、特点及产生原因进行了总结;针对McEvily模型、疲劳裂纹扩展统一预报模型及Chapetti模型进行重点研究,为后续修正模型的提出奠定理论基础。(2)疲劳裂纹扩展行为统一预报修正模型研究。在金属材料小裂纹扩展特性研究的基础上,对金属材料小裂纹尖端塑性区域尺寸进行了修正;研究了小裂纹的裂纹闭合原理并在EI Haddad模型的基础上对金属材料小裂纹门槛值进行修正;提出金属材料疲劳裂纹扩展预报修正模型,并研究了其在金属材料小裂纹预报及Kitagawa效应解释方面的应用,同时对修正模型中的参数灵敏度进行了分析。(3)典型金属材料疲劳裂纹扩展速率研究。利用本文提出的疲劳裂纹扩展预报修正模型,对钛合金材料在不同应力水平、不同微结构及不同载荷比下的疲劳小裂纹扩展速率进行了预报,将预报结果同相应试验结果进行了对比分析;同时对铝合金材料疲劳小裂纹扩展速率进行了预报,对比分析了预报结果和相应试验结果;最后对钛合金、铝合金材料的疲劳长裂纹扩展速率进行了预报并将预报结果与相应试验结果进行了对比,从而验证该模型在预报金属疲劳裂纹扩展速率时的可靠性。(4)典型金属疲劳全寿命研究。利用本文提出的疲劳裂纹扩展预报修正模型,对钛合金、铝合金在不同条件下的疲劳全寿命进行预报研究并将预报结果与相关试验结果进行对;对钛合金Ti-6Al-4V材料的平面应变断裂韧性ICK进行了测定,同时开展了钛合金Ti-6Al-4V疲劳寿命试验研究,从而验证本文所提的疲劳裂纹扩展预报修正模型具有很好的工程应用价值。
许林敏[8]2015年在《DLC薄膜改性钛合金的生物摩擦学研究》文中研究指明随着医用人体植入材料的迅速发展,人工关节置换技术逐渐成为恢复患者关节功能和解除患者痛苦的重要医疗手段。迄今为止,对人工关节的研究主要集中在髋、膝关节,颈椎关节的研究文献和数据较少,更缺少对其生物摩擦学行为和磨损机理的系统研究。随着颈椎病发病群体的日益年轻化,对人工颈椎间盘的使用寿命提出了更高的要求,因此,本文模拟人工颈椎间盘的屈/伸、侧弯和轴向旋转运动,系统的研究了人工颈椎间盘材料在不同运动形式下的生物摩擦学行为,探索不同运动形式间的交互作用机理,因此其研究具有重要的理论研究意义。本文采用非平衡磁控溅射与离子注入耦合技术,在Ti6Al4V合金基体表面沉积含氢类金刚石碳膜(DLC薄膜),对DLC薄膜的硬度、结构、形貌、润湿性等基本性能进行表征,利用多自由度材料磨损试验机对DLC薄膜在多种运动模式下的生物摩擦性能进行研究,并且结合有限元仿真模拟分析DLC薄膜的力学行为及磨损机理,获得了如下主要结论:采用高温热压成型方法制备超高分子量聚乙烯(UHMWPE)球冠,阳极型离子源结合非平衡磁控溅射复合技术与离子注入耦合的方法在Ti6Al4V合金表面沉积DLC薄膜。通过拉曼光谱和X射线光电子能谱分析薄膜特性,薄膜呈现出典型的类金刚石薄膜特征,DLC改性后的Ti6Al4V合金表面粗糙度从0.40μm降低到0.28μm,表面硬度提高了129%,表面接触角为37.41°,在小牛血清溶液中具有较好的浸润性。DLC薄膜与基体表面结合紧密,厚度均匀,达到2μm,未见明显的裂纹。模拟人工颈椎间盘的屈/伸和侧弯运动,开展摆动摩擦学试验,随着轴向载荷及摆动角位移的增加,DLC薄膜的摩擦系数逐渐增大,UHMWPE的磨损量及磨损表面的粗糙度也随之增加,与未改性的Ti6Al4V合金相比,DLC薄膜改性后的Ti6Al4V合金具有更好的耐磨性,接触界面间摩擦力降低了77.6%,磨损量降低了11.2%。未改性Ti6Al4V合金的磨损机制以严重的磨粒磨损为主,经DLC薄膜改性后的钛合金的磨损形式以磨粒磨损和粘着磨损为主,大载荷、大角位移条件下,DLC薄膜局部区域发生应力脆断,发生脆性剥落。模拟颈椎间盘的轴向旋转运动,开展转动摩擦学试验,随着轴向载荷、转动角位移的增大,摩擦扭转力矩、摩擦耗散能、磨损量均呈现出增大的趋势。与未改性的Ti6Al4V合金相比,DLC薄膜改性后的Ti6Al4V合金具有更好的耐磨性,进入完全滑移状态的时间缩短,接触界面间摩擦扭转力矩显着降低。未改性Ti6Al4V合金的磨损机制表现为严重的磨粒磨损,经DLC薄膜改性后的钛合金的磨损形式以应力集中产生的脆性剥落为主。DLC薄膜增大了对磨副UHMWPE的磨损,UHMWPE的磨损机制是粘着磨损和磨粒磨损综合作用的结果。与Ti6Al4V合金的摆-转复合摩擦对比,摆动摩擦系数低于复合摩擦系数,转动摩擦扭转力矩大于复合摩擦扭转力矩;不同摩擦状态下对磨副UHMWPE的磨损量呈现出摆动>复合>转动的趋势;摆动和转动表现为相互制约的关系。与DLC薄膜改性后Ti6Al4V合金的摆-转复合摩擦对比,摆动摩擦系数低于复合摩擦系数,转动摩擦扭转力矩大于复合摩擦扭转力矩;不同摩擦状态下对磨副UHMWPE的磨损量呈现出转动>复合>摆动的趋势。在低周、高周循环条件下,DLC薄膜的摩擦系数、扭转力矩和对磨副UHMWPE的磨损量均明显低于Ti6Al4V合金配副;DLC薄膜球窝中心区域的磨损机制为粘着磨损,球窝边缘区域的磨损机制则为磨粒磨损;Ti6Al4V合金球窝的磨损机制则均为磨粒磨损。有限元仿真结果表明,在摆动摩擦时,随着轴向载荷、摆动角位移的增大,摩擦剪切应力逐渐增大,DLC薄膜球窝的变形量随之增大,且平行于摆动摩擦方向的变形量大于垂直于摆动摩擦方向的变形量。DLC薄膜球窝中心区域的DLC薄膜易产生摩擦疲劳,最终引起DLC薄膜的破裂,局部区域发生脆性剥落。在转动摩擦时,DLC薄膜球窝的中心均出现粘着区,DLC薄膜球窝的旋转运动处于粘滑混合区,并且随着载荷、转动角位移的增大,相对滑移区域的面积增大,人工颈椎间盘接触界面间的接触应力及摩擦剪切应力逐渐增大,DLC薄膜球窝接触边缘的磨损愈加严重,导致材料的损失也愈加严重。
袁子尧[9]2017年在《Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr合金低周疲劳行为研究》文中研究指明钛合金是20世纪50年代开发的一种轻质合金,因其在力学性能、耐蚀性能、耐热性能等方面的优异表现,逐渐成为工程应用上重要的结构材料。其中,亚稳β钛合金以其较高的强度、韧性以及优良的冷加工性能,近年来日益受到人们的关注。作为一种结构材料,亚稳β钛合金常被应用于机械结构关键部位,疲劳失效是其主要的破坏形式之一。然而,针对亚稳β钛合金的研究主要集中于显微组织、基本力学性能等方面,关于Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr合金的疲劳性能以及疲劳变形中显微结构变化的研究很少见。本论文采用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)等手段对不同热处理状态下Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr合金的显微组织、拉伸性能以及低周疲劳性能进行了系统的研究,分析了热处理工艺对合金微观组织的影响,讨论了不同状态下合金拉伸、疲劳变形行为及损伤机制。研究发现:热轧态Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr合金的显微组织由原始等轴β晶粒和球状初生α相组成,800℃/30min固溶处理后,初生α相变小并逐渐转变成β相。800℃/30min+500℃/4h时效处理后初生α相全部转变成β相,且有少量次生球状α相从β基体中析出;当时效时间增至12h时,α相析出的数量明显增加,且转变为针棒状,同时β晶粒得到细化。拉伸试验结果表明,该合金力学性能中的抗拉强度在经过时效热处理后明显高于热轧态和固溶态合金。经过800℃/30min+500℃/12h处理以后,合金的硬度及抗拉强度达到最大值,其延伸率和断面收缩率并没有明显的降低。断口分析表明,热轧态及固溶态合金的断口形貌为典型的韧性断裂;而时效后的合金在塑性变形过程中表现为脆性和韧性相结合的混合型断裂模式。在外加总应变控制的低周疲劳加载条件下,不同状态的该合金在0.4%~0.8%的外加总应变幅下,均表现出稳定的循环应力响应行为;在1.0%的外加总应变幅下,热轧态合金则表现为先循环软化,后循环稳定,而时效态合金表现为循环稳定;在1.2%~1.4%的外加总应变幅下,叁种状态的合金均表现为循环软化。时效处理状态下,经500℃/12h时效处理的合金表现出了最高的循环变形抗力与较高的低周疲劳寿命。不同热处理状态下的合金的塑性应变幅、弹性应变幅与载荷反向周次之间均呈线性关系,可分别用Coffin-Manson公式和Basquin公式来描述。不同热处理状态下合金的循环应力幅值(35)σ/2与塑性应变幅值(35)?p/2之间也均呈线性关系。疲劳断口观察表明,在外加总应变控制的低周疲劳加载条件下,不同热处理状态下合金的疲劳裂纹均以穿晶方式萌生于疲劳试样表面,并以穿晶方式扩展。
曹兴民[10]2005年在《热氢处理对钛合金组织和性能影响的研究》文中研究表明钛合金氢处理技术是利用氢致塑性、氢致相变,以及利用钛合金中氢的可逆合金化,以实现钛氢系统最佳组织结构、改善加工性能;是一种新体系、新方法和新手段。利用该技术不仅可以改善钛合金的加工性能,而且可以提高钛制件的使用性能,提高钛合金的加工效率,降低钛产品的制造成本。 本文首先介绍了前人在钛合金氢处理方面的理论研究成果,重点论述了氢在改善钛合金的微观组织、提高钛合金的加工效率方面的理论和试验研究进展,在此基础上,研究了氢处理对α+β钛合金TC21和β钛合金Ti40两种钛合金微观组织变化的影响,以及对这两种合金强度和塑性的影响。讨论了氢致细化、氢致塑性的微观机理。 试验所采用的试样尺寸为10×10×3mm,试样包括两种合金、两种状态(铸态和锻态),根据试验要求,将试样分为自然含氢量、0.1wt%、0.2wt%、0.3wt%、0.4wt%、0.5wt%六组,在试样渗氢前、渗氢后和除氢后,分别对试样进行会相观察、SEM观察、TEM分析、X射线衍射和硬度的测定。 研究表明,渗氢所引起的应变无论对于合金铸态还是锻态,都会增加它们的品格常数,增大它们的晶胞体积,提高它们的位错密度。对于渗氢后的钛合金,当氢含量达到一定值时都会观察到氢化物的生成。渗氢后引起主要合金元素的再分配,β稳定元素在晶界及晶内析出相内的含量偏高。 氢处理对α+β钛合金TC21组织有明显的细化作用,当渗氢量为0.4wt%时其细化效果最佳;而对于β钛合会Ti40,其组织变化不明显。 随着氢含量的增加,渗氢后α+β钛合金TC21的硬度,是先降低后增加,β钛合金Ti40则逐渐增加。除氢后,由于α+β钛合余TC21组织得到明显的细
参考文献：
[1]. 表面改性与完整性对钛合金疲劳行为的影响[D]. 杜东兴. 西北工业大学. 2014
[2]. 含氢的新型钛合金的疲劳行为研究[D]. 何晓. 四川大学. 2003
[3]. 显微组织与微量氢对钛合金电子束焊接接头疲劳特性的影响[D]. 籍龙波. 华中科技大学. 2011
[4]. TC4钛合金高能束流焊接接头组织与疲劳性能研究[D]. 陈斌. 天津大学. 2010
[5]. 钛合金表面化学转化膜的制备及成膜机理研究[D]. 叶君. 南昌航空大学. 2015
[6]. 激光喷丸强化TC4钛合金抗氢脆性能及机理[D]. 王祥. 江苏大学. 2017
[7]. 金属材料疲劳小裂纹扩展行为研究[D]. 顾浩洋. 江苏科技大学. 2016
[8]. DLC薄膜改性钛合金的生物摩擦学研究[D]. 许林敏. 中国矿业大学. 2015
[9]. Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr合金低周疲劳行为研究[D]. 袁子尧. 沈阳工业大学. 2017
[10]. 热氢处理对钛合金组织和性能影响的研究[D]. 曹兴民. 西安建筑科技大学. 2005
标签：金属学及金属工艺论文; 疲劳断裂论文; 疲劳寿命论文; 应力集中论文; 应力强度因子论文; 钛合金论文; 喷丸处理论文; 运动性疲劳论文; 应力状态论文; 应力应变曲线论文; 新型材料论文; 薄膜应力论文;