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钛合金m值与超塑性关系研究毕业论文

钛合金m值与超塑性关系研究毕业论文

钛合金m值与超塑性关系研究毕业论文

毕业设计(论文)题目:钛合金m值与超塑性关系研究

学院:航空制造与工程学院

专业名称:材料成型及控制工程

毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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指导教师签名:日期:

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。

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学位论文原创性声明

本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名:日期:年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名:日期:年月日

导师签名:日期:年月日

钛合金m值与超塑性关系研究毕业论文

毕业设计(论文)任务书

I、毕业设计(论文)题目:

钛合金m值与超塑性关系研究

II、毕业设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求:

原始资料:国家基金(51075169)申报书《基于最大m值法的钛合金等温超塑成形机制研究》本课题旨在针对钛合金开展m值与超塑性之间关系的研究。要求编制计算机控制程序,进行高温拉伸试验,并进行实验数据处理与分析。主要工作如下:

(1)查阅相关资料;

(2)翻译外文资料一篇;

(3)撰写开题报告;

(4)采用VB语言编制计算机控制程序;

(5)m值与超塑性之间关系的拉伸试验;

(6)实验数据处理与分析;

(7)m值与延伸率δ关系式的建立;

(8)撰写毕业设计论文。

I I I、毕业设计(论文)工作内容及完成时间:

1. 搜集相关资料,阅读并翻译外文文献 3.14-3.18 1周

2. 撰写开题报告

3.21-

4.1 2周

3. 采用VB语言编制计算机控制程序

4.4-4. 8 1周

4. 最大m值法超塑性拉伸试验 4.11-4.22 2周

5. 最佳变形速率超塑性拉伸试验 4.25-5.13 3周

6. 实验数据处理与金相显微分析 5.16-6.3 3周

7. 撰写毕业论文 6.6-6.17 2周

8. 答辩准备及毕业答辩 6.17-6.24 1周

Ⅳ、主要参考资料:

[1]宋玉泉, 程永春, 刘术梅. 超塑拉伸变形应变速率敏感性指数的力学解析[J]. 机械工程学报,

2001,37(3):5-10

[2]王高潮,曹春晓,董洪波,等. TC11合金最大m值超塑变形机理研究[J].航空学报,2009 , 30 (2): 357

[3]赵晓宾,王高潮,曹春晓, 等. TC11钛合金的最大m值超塑性变形研究, 航空材料学报, 2008, 28(2):5-8.

[4] Gupta K K, Meek J L. A Brief History of the Beginning of the Finite Element Method[J]. International

Journal for Numerical Methods in Engineering, 1996,(39):3761-3774.

[5]R.Z.Valiev, R.K.Islamgaliev, I.P.Semenova. Superplasticity in nanostructured materials: New challenges[J]. Materials Science and Engineering A ,2007,463:2

航空制造工程学院塑性成形与模具专业070116 班

学生(签名):

日期:自2011 年 3 月14 日至2011 年 6 月24 日

指导教师(签名):

助理指导教师(并指出所负责的部分):

研究生马超负责指导程序编制和拉伸试验等。

塑性工程系(室)主任(签名):董洪波

钛合金m值与超塑性关系研究毕业论文

学士学位论文原创性声明

本人声明,所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名:日期:

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

作者签名:日期:

导师签名:日期:

钛合金m值与超塑性关系研究

学生姓名:喻淼真班级:070116

指导老师:王高潮

摘要:钛合金是极其重要的轻质结构材料,它具有良好的高温性能、高的比强度和优异的抗腐蚀性能,超塑性成形具有成形压力低、变形大和能获得精确的外形尺寸等优点,开展钛合金的超塑性研究不仅可以解决钛合金加工过程中的一些难题,而且可以降低零件的制造成本,扩大钛合金的使用范围,因此具有非常重要的现实意义。本课题在钛合金的最大m值(应变速率敏感性指数,以下简称m值)超塑性研究、钛合金高效超塑性研究的基础上,提出了钛合金设定m值的变形理论,探索钛合金在超塑性变形过程中m值与延伸率的关系,进而有可能为最大m值超塑变形机理寻找答案,也可以将m值作为工艺参数来控制高速区的应变速率从而达到提高成形效率的目的。

在Visual Basic环境下编写了设定m值的超塑性拉伸控制系统的程序,该控制系统能很好地实现对拉伸机的控制、实验过程中的数据采集、分析和处理,并具有绘制实时监控曲线等功能。最后,将各子程序整合后,形成了一套完整、实用的超塑性研究方法。在试验前首先利用TC11合金做高温拉伸试验设定m值为0.4来验证设定m值的超塑性拉伸控制系统的程序的正确性,结果表明是可行的,随后,本文对TC6合金的超塑性进行了研究,最后,对TC6钛合金设定m值的超塑变形方法进行了系统的研究。研究了m值,并对变形过程中的m值与时间、m值与延伸率的关系以及变形后的显微组织进行了研究。研究结果表明:

(1)设定m值实验控制系统能对变形时的过程进行监控,能对实验过程中的数据进行自动采集、显示、分析和处理,并可根据需要绘制实时监控曲线。不仅提高了工作效率和测试精度,而且大大简化了钛合金的基础研究工作。

(2)采用设定m值的方法进行拉伸试验,结果表明:从设定m值为0.3和0.5以及用TC11试验时设定m值为0.4时拉伸试验结果数据处理出的m值与时间曲线关系来看,瞬时m值总是在设定m值范围内很小的波动,这再一次证明了钛合金设定m值的变形方法的可行性与设定m值的超塑性拉伸控制系统的程序的正确性,再从m值与延伸率的关系曲线来看,m值从0.3到0.5的延伸率在不断上升,这也应证了m值越大,延伸率越大,超塑性越好的观点,但在m值设定为0.7的拉伸试验结

果出现了反常现象,无论拉伸时间还是延伸率都不如设定m值为0.5的,在用TC6设定m值为0.7时拉伸的实验数据分析中发现瞬时m值并不能调到0.7附近,最大的为0.62,这说明了在应变速率与m值关系中,最大m值还达不到0.7,致使拉伸出的数据与理论不相符,为了得到m值与延伸率的关系式还需要进行大量的实验,从而为最大m值超塑变形机理寻找答案。

(3)在变形的过程中,变形量对TC6合金的显微组织有显著影响。变形量越大晶粒长大越明显,在变形的过程中发生了动态再结晶使晶粒呈现等轴化。

关键词:应变速率敏感性指数m值设定m值法延伸率控制系统 TC6合金

指导老师签名:

The relationship study between m value and Superplasticity in Titanium alloy

Student name: Y u miao zhen Class: 070116

Supervisor: Wang Gaochao

Abstract: Titanium alloy is a very important lightweight structural materials, it has good high temperature performance, high specific strength and excellent corrosion resistance. With superplastic forming, the force of forming can reduce, the size of deformation can increase, and precision parts can be produced, so studying on superplasticity of titanium alloys not only can solve some of the titanium alloy processing problems, but also can reduce the manufacturing costs of components to expand the use of titanium alloys, it has very important practical significance. The theory of method to set m value Superplasticity Deformation is based on the Maximum m (Strain rate sensitivity index, hereafter referred to m values) and High-efficiency Superplasticity superplasticity method, to explore m value and the relationship between elongation ratio in the process of superplastic deformation in the titanium alloy ,Then the maximum m value possible for the superplastic deformation mechanism to find the answer, you can also take m values as parameters to control the high strain rate region formed so as to improve efficiency.

Some subprograms were compiled and debugged under Visual Basic environment for the controlling system of set m value Superplasticity, the program could fulfill the task of controlling the drawing machine, acquiring, analyzing and processing data generated during the experiment, and can even draw real time supervising curves, thus a complete, effective method of superplastic research was formed after the subprograms were integrated. Before the test, first used in the TC11 alloy, the high temperature tensile test set m value of 0.4 to set to validate the m value of tensile superplasticity process control system accuracy, the results show that it is feasible.Subsequently, the superplastic deformation behavior of TC6 alloy has been studied.Finally, Systematic study on set m value Superplasticity Deformation in TC6 alloy. Study the m value, And m values in the

deformation process and time, m value and the relationship between elongation and the microstructure after deformation were studied,The results show that:

1) Set m value of the experimental control system can monitor the process of deformation, to the experimental data in the process of automatic acquisition, display, analysis and processing, and real-time monitoring necessary to draw curves. Not only improve the efficiency and precision, but also greatly simplifies the basic research of titanium alloy.

2) Tensile test adopting the method to set m value Superplasticity Deformation. The results showed that: From the set m value of 0.3 and 0.5 and the test set with a TC11 m value of 0.4 when the tensile test results of a data processing curves of m-value and time relations, Immediate m value is always in the set m m values fluctuate within a small, This had again proven the titanium alloy establishes the m value the distortion method feasibility with to establish the m value the superplastic stretch control system's procedure accuracy, Again from the m value and the elongation ratio relational curve looked that the m value from 0.3 to 0.5 elongation ratio is rising unceasingly, This should also prove the m value to be bigger, the stretch time was longer, elongation ratio bigger superplasticity better viewpoint, But was 0.7 pulling test result presented the anomaly in the m value hypothesisregardless of the stretch time or the elongation ratio were inferior that establishes the m value is 0.5, In the empirical datum analysis which when uses TC6 to establish the m value is 0.7 stretches discovered that the immediate m value cannot move to 0.7 nearby, The maximum is 0.62, This indicated in the strain speed and the m value relations, The biggest m value could not have achieved 0.7, The cause stretches the data and the theory do not tally, To obtain the relation of m value between with Elongation ,The most of the experiments need to be, Thus the maximum m value of superplastic deformation mechanism to find the answer .

(3) Deformation have a significant effect on the microstructure, the deformation is greater the grain growth more obvious. The dynamic recrystallization occurred during the deformation made the grain became equiaxed.

Keywords :Strain Rate Sensitivity (m value) method to set m value Elongation ratio Controlling System TC6 Titanium Alloy

Signature of Supervisor:

目录

1绪论

1.1引言 (1)

1.2选题依据、目的和意义 (2)

1.3 文献综述 (3)

1.3.1 钛合金的特点 (3)

1.3.2 钛合金的分类 (4)

1.3.3 钛合金的应用 (5)

1.3.4 超塑性的概念及分类 (6)

1.3.5 超塑性的本构方程 (7)

1.3.6 应变速率敏感性指数m值的研究 (9)

1.3.7 钛合金的超塑性 (10)

1.3.8 钛合金超塑性的变形机理 (13)

1.3.9 钛合金超塑性国内外研究发展状况 (15)

1.4 研究内容 (15)

2试验材料与试验方法

2.1 引言 (16)

2.2 试验材料 (16)

2.3 拉伸试样制备 (18)

2.4 试验设备 (18)

2.4.1 电子万能拉伸试验机 (19)

2.4.2 玻璃防护氧化剂和水石墨润滑剂 (20)

2.5 设定m值的超塑性研究方法 (20)

2.5.1 设定m值的超塑性方法的基本原理与思路 (22)

2.5.2 超塑性试验方案 (23)

2.6 显微组织观察 (23)

3设定m值法的超塑性实验控制系统

3.1 引言 (24)

3.2 实验控制系统简介 (24)

3.2.1 控制系统研制的意义及设计思路 (24)

3.2.2 硬件工作原理及实现方法 (25)

3.2.3 控制软件开发环境 (25)

3.2.4 动态链接库 (26)

3.2.5 软件实现的功能 (27)

3.3 控制程序的开发 (27)

3.3.1 开发流程 (27)

3.3.2 实验方法的集成 (29)

3.3.3 窗体的设计 (30)

3.3.4 软件的调试及打包 (30)

3.4 定m值方法程序设计 (30)

3.4.1 核心程序设计 (35)

3.4.2 工作界面 (36)

3.4.3 关键语句分析 (39)

3.5 实时监控曲线 (41)

3.6试验数据处理软件简介 (41)

4拉伸试验结果及分析

4.1 引言 (42)

4.2 超塑性试验结果 (44)

4.3 设定m值的方法试验结果分析与讨论 (46)

4.4 显微组织的分析 (48)

5结论

参考文献 (51)

致谢 (52)

1 绪论

1.1引言

钛合金具有密度小、比强度高、低温热导率低以及膨胀系数小等特点,是理想的低温结构材料。

另外,钛合金的工艺性能差,切削加工困难,在热加工中,非常容易吸收氢氧氮碳等杂质。还有抗磨性差,生产工艺复杂。钛的工业化生产是1948年开始的。航空工业发展的需要,使钛工业以平均每年约 8%的增长速度发展。目前世界钛合金加工材年产量已达4万余吨。

近年来,随着我国国民经济的持续、快速的发展,对钛材的需求量也迅速增加。钛合金作为轻质高温材料在航空航天制造中的重要作用愈来愈引人注目,而钛合金在热加工的过程中,由于它的热加工温度范围很窄且不容易控制,造成了在一般的情况下,热加工用模具和工件之间有一个非常大的温度梯度,使得工件迅速冷却,显著提高了材料的变形抗力,特别是将钛合金制成像飞机结构件那样形状复杂的零件,成品率很低。因此钛合金的热加工困难,而且制造成本也比较高,从而阻碍了钛合金的推广应用[1]。随着航空航天工业的不断发展,对钛合金的使用与制造也提出了更高的要求。而超塑性成形则对提高钛合金成品率十分有效。近年来,采用超塑性成形工艺(SPF)制备出综合性能良好的钛合金,也就成为热门研究方向之一。一些超塑性钛合金正以其优异的变形性能和材质均匀等特点,在航空航天以及汽车的零部件生产、工艺品制造、仪器仪表壳罩件和一些复杂形状构件的生产中起到了不可替代的作用[2]。为了提高材料的超速性能,通用的手段是进一步细化晶粒,而繁琐的细晶工艺影响了该技术的推广应用,所以在该课题中通过分析基于最大m值超塑性拉伸试验变形过程中的应变速率-应变变化轨迹,在基于m值的高效超塑变形技术基础上,将m值设为某一个常数,就可以分别在高速区或低速区进行超塑性变形的拉伸试验,从而可以研究m值与超塑性之间的关系。这样就可以检验“m值越大超塑性越好”这一既被认可又有争议的观点。进而有可能为最大m值超塑变形机理寻找答案,也可以将m值作为工艺参数来控制高速区的应变速率从而达到提高成形效率的目的。

在本文中,将会从本课题的研究依据、目的和意义,试验材料与试验方法,试验控制系统,试验结果与分析等方面详细阐述该课题,从而为实际生产提供可靠工艺参数。

1.2选题依据、目的和意义

钛及其合金作为理想的金属结构材料,它具有比强度高和耐腐蚀性能好的显著优点,这使钛合金不仅能在极其恶劣的大气条件下使用,而且能耐强化学试剂的腐蚀,所以它特别适合于飞机和航天器的材料设计需要。在上个世纪五十年代初期,美国就成功地在飞机上使用了钛,从而开拓了钛在航空工业中应用的广阔道路。现在,钛及其合金已经在世界各地得到了广泛应用,在航空工业中主要是用来制作飞机的机身结构件、起落架、支撑梁、发动机压气机盘、叶片和接头等;在航天工业中,钛合金主要用来制作承力构件、框架、气瓶、压力容器、涡轮泵壳、固体火箭发动机壳体及喷管等零部件[3-4]。

从二十世纪二十年代起,人们认识到一些材料在不发生颈缩的前提下能承受巨大的拉伸应变,从此人们开始科学地研究“超塑性”这一基本材料现象。随着航空、航天和精密仪表制造领域的发展,也逐渐引起世界各地相关领域对超塑性技术应用和研究的重视。我国对超塑性的研究始于上个世纪七十年代,虽然相对于一些发达国家来说起步较晚,但距今也有三十多年的历史了。在这段时间内,国内许多高校和科研机构对超塑性成形进行了相关研究。钛合金超塑性产品也在航空、航天、仪表、电子、轻工、机械和铁道等工业部门得到了有效的应用:例如我国已经锻造出了带有密排轴向叶片的钛合金涡轮盘和没有焊缝的整体钛合金高压球罐,使生产率提高几十倍到二百倍,成本降低到原有成本的1/8~1/10,但是我国的超塑性应用和国外的批量商品化生产也还存在着一定的差距。

在基于m值的高效超塑变形技术基础上,提出了将m值设为某一个常数,就可以分别在高速区或低速区进行超塑性变形的拉伸试验,从而可以研究m值与超塑性之间的关系。这样就可以检验“m值越大超塑性越好”这一既被认可又有争议的观点。进而有可能为最大m值超塑变形机理寻找答案,也可以将m值作为工艺参数来控制高速区的应变速率从而达到提高成形效率的目的。

0.3

0.6蠕变区

应变速率敏感指数应变速率(对数) 超塑性区塑性区

A B

图1-1 塑性变形区域图

同时也完善了钛合金超塑成形体系,从而为实际生产提供可靠工艺参数。

1.3 文献综述

1.3.1 钛合金的特点

早在1791年,英国受人尊敬的矿物学家和化学家William Mcgregor 就发现了钛元素的存在。令人遗憾的是钛元素与氧、氮、碳、氢等元素有极强的亲和力,并且在高温下与绝大多数耐火材料都能发生反应,所以地壳中一些具有高钛含量的矿石就很少被发现,也从未发现过纯钛。金属钛的提取工艺非常的复杂和困难,因此钛非常昂贵,大约经历了一百多年,人们才先后发明了金属钛的提取方法,如钠热法、碘化法等。

钛合金最突出的特点是它的高比强度和优异的耐腐蚀性能,而且钛合金同时具有较好的低温性能和优良的耐热性,所以钛合金能在较宽的温度范围内使用,应用面积广。在工业应用中,只要选材得当,采用钛合金材料可以明显地提高工作效率,带来显著的经济效益。钛合金不易被氧化,在海水中它的腐蚀率能和白金媲美[5-7]。

1.3.2 钛合金的分类

1. 按其退火组织钛合金一般分为α型,β型及α+β型三大类。α型钛合金在常温下不能保留高温的体心立方β相,因此应全部为单相α组织。α型钛合金组织稳定、耐蚀、易焊接、韧性及塑性好。室温强度低于β型钛合金和α+β型钛合金。但高温(500~600℃)强度比β型及α+β型钛合金要好。α型钛合金是单相合金,故不能热处理强化。β型钛合金为稳定的退火组织及稳定的β区淬火组织,均为β单相组织。这种组织的晶粒尺寸一般比等轴α或α+β组织粗大。β

型钛合金具有较高的强度、优良的冲压性,但耐热性差、抗氧化性能低,当温度超过700℃时,合金很容易受大气杂质气体的污染。它的生产工艺复杂,且性能不太稳定,因而限制了它的应用。α+β型钛合金在平衡状态下由α+β两相组成,两相比例取决于合金成分,特别是β稳定化元素的含量。国产α+β型钛合金中的β相含量大约在5~20%范围内。α+β型钛合金有等轴α+β组织和双态α+β组织,它兼有α型钛合金和β型钛合金两者的优点:强度高、塑性好、耐热性高、耐腐蚀性和冷、热加工性及低温性能都很好,并可以通过淬火和时效强化,是钛合金中应用最广泛的合金[8-9]。

2. 按性能分类,则钛合金可分为低强钛合金、中强钛合金、高强钛合金、低温钛合金、铸造钛合金及粉末冶金钛合金等。

3. 钛合金按用途可分为耐热合金、高强合金、耐蚀合金(钛-钼,钛-钯合金等)、低温合金以及特殊功能合金(钛-铁贮氢材料和钛-镍记忆合金)等。

1.3.3 钛合金的应用

钛合金的优异性能使它成为航空航天应用的主体。在航空航天领域,钛合金常被应用于铝合金、高强度钢或镍基超合金的质量、强度、抗蚀性和高温稳定性等综合性能不能满足的航空产品中。例如飞机蒙皮材料,当马赫数M超过2.5时,飞机的表面温度高于200℃,此时传统的铝蒙皮就不适用,需要钛合金来取代。在1970年美国研制的F-14高速战斗机,马赫数M为2.3,机身上的中央翼盒原用钢制,而改用钛合金后,其重量减轻了百分之四十。因此高速飞机上的机身隔框、发动机舱、起落架框轴和某些受力件等零部件都已改用钛合金制造。

钛及其合金优良的耐腐性性能,使它目前也广泛的应用于化学工业、加工业和发电工业中。在化学工艺工程中,钛用于制造容器、混合器、泵体、交换柱罐、热交换器、导管、搅拌器和反应器等化学仪器。钛合金除了抗蚀性外,与高强钢相比,钛还具有高强度和低密度的特点,因此它不仅适合于制作各类舰艇船舶,而且也是制造海水淡化装置和电力工业上冷却器的最佳材料。如用于海水淡化装置和海滨电站用的钛管冷凝器,以及钻井装置和供给船上的冷却水管、供水管、海水提升管和压载水管系都采用钛材料制造而成。另外钛及其合金在汽车工业、建筑工业、医学乃至信息技术中也有广泛的应用[10] TC6钛合金介绍:实验使用的是TC6-----(Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si,附表)。TC6钛合金含有α稳定元素Al、同

晶型β稳定元素Mo和共析型β稳定元素Cr、Fe和Si,β稳定系数

0.6

K

β

=

,相

变点在950℃~990℃之间。该合金的使用状态一般为退火状态,也可以进行适当的

强化热处理。TC6钛合金具有较高的室温强度,而且在450℃以下有良好的热强性能,是一种新型两相热强钛合金,除具有普通钛合金比强度高、抗腐蚀性好等优点外,它还具有良好的塑性和冲击韧性。组织上属α+β型合金,在长期加热条件下,因发生β共析分解会使合金脆化,为此加入2.5%Mo,以延缓共析分解,改善热稳定性。

TC6是一种具有复杂显微组织结构的两相钛合金。拥有密度低、强度高、耐腐蚀等优点,但其材料成本昂贵,难以进行锻造加工成形。普通退火状态TC6钛合金在300℃/5000h以下具有良好的组织和性能稳定性,不同温度瞬时拉伸、蠕变、持久等高温性能与双重退火和等温退火状态相当。经普通退火处理的TC6钛合金半成品可以满足飞机结构件的使用温度(300℃以下)要求。

TC6钛合金主要用来制造航空发动机的压气机盘和叶片等零件,能在400℃以下长时间工作6000h以上和在450℃工作2000h以下。该合金还可作为中强度合金用来制造飞机的隔框、接头等承力结构件及不同用途的紧固件。生产的半成品主要有棒材、锻件及模锻件等。

1.3.4 超塑性的概念及分类

超塑性是指材料在特定条件下,表现出异常高的塑性而不产生缩颈与断裂的现象。但至今还没有从物理本质上的确切定义。有的以拉伸试验的延伸率来定义,认为δ>200%即为超塑性;有的以应变速率敏感性指数m来定义,认为m>0.3,即为超塑性;还有的认为抗颈缩能力大,即为超塑性[11]。

超塑性的产生和材料的内在条件有关,例如材料的化学成分、晶体结构、显微组织(包括晶粒大小、形状及分布等)以及是否具有固态相变(包括同素异晶转变,有序-无序转变及固溶-脱溶变化等)能力等。在内在条件满足一定要求的情况下再给予一定的外在变形条件即会产生超塑性。按照实现超塑性条件的不同(如组织、温度、应力状态等),超塑性常被分为以下几种[12]:

1. 恒温超塑性或第一类超塑性。这类超塑性也可以根据材料的组织形态特点被称为微细晶粒超塑性。其特点是要求材料具有微细且等轴的晶粒组织,在一定的温度区间(Ts≥0.5Tm,Ts和Tm分别为超塑变形和材料熔点温度的绝对温度)和一定的变形速度条件下(应变速率 错误!未找到引用源。为10-4~10-1/s之间)呈现超塑性。大多数超塑性是属于这种类型。所谓微细的晶粒尺寸,是要求晶粒尺寸大多为纳米级,范围在0.5~5μ之间。因为细的晶粒有利于塑性的发展,对于钛合金来说,晶粒尺寸达到几十微米时也有可能获得良好的超塑性能。但是对于一些合金来说,

即使具有微细的原始组织,但是在一定的温度范围内进行超塑性变形时,如果金属的热稳定性能较差的话,在超塑性变形的过程中晶粒会迅速长大,也不能获得较好的超塑性变形。

2. 相变超塑性或第二类超塑性,这类超塑性也被称作变态超塑性和转变超塑性。其特点是它并不要求材料具有超细的原始晶粒组织,而是在一定的温度和一定的负荷情况下,通过多次的循环相变或同素异形转变来获得大的延伸率。例如碳素钢和低合金钢,给予一定的负荷,并与相变点温度上下一定温度范围内反复的加热和冷却,每一次循环发生(α→γ)和(γ→α)两次转变,可以得到二次条约式的均匀延伸。D.Oelschlagel等人[13]用AISI1018,1045,1095,52100等钢种做了实验,结果表明延伸率都可以达到500%以上。这种超塑性的变形特点是在变形的初始时刻每一次循环的变形量(△ε∕N)比较小,而循环达到一定的次数之后每一次循环的变形量逐渐加大,直到断裂可以获得较大的变形。对于有相变的金属材料,在扩散相变的过程中不仅能获得很大的塑性,而且在淬火的过程中由于发生了奥氏体向马氏体的转变,即无扩散的脆性转变过程(γ→α)中,也能获得一定程度的塑性。同样,淬火后有大量的残余奥氏体的组织,通过回火过程,发生了残余奥氏体向马氏体单向转变过程,也可以获得非常高的塑性。另外,如果在马氏体开始转变点(Ms)以上的一定温度区间进行加工变形,能够促使奥氏体向马氏体的逐渐转变,在这个转变的过程中也能获得异常高的延伸率,但是塑性大小与转变量的多少,变形温度及变形速度密切相关。这也就是所谓的“转变诱发塑性”。即“TRIP”现象。如Fe-Ni 合金,Fe-Mn-C等合金都具有这种特性。

3. 其它超塑性或第三类超塑性,这种超塑性是在消除应力退火的过程中在应力作用下所得到的超塑性。例如Al-5%Si合金及Al-4%Cu合金在溶解度曲线上下施以循环加热就可以得到超塑性[14], Johnson等人对此进行了试验,结果表明一些具有异向性热膨胀的材料如U,Zr等,加热时会有超塑性,这种超塑性称为异向超塑性。有人把α-U在有负荷及照射下的变形也称为超塑性。球墨铸铁及灰铸铁经特殊处理也可以得到超塑性。也有人把上述第三类超塑性称为动态超塑性或环境超塑性[15]。

1.3.5 超塑性的本构方程

在超塑性变形的过程中,其力学特征主要是由它的变形特征所决定,但是超塑性变形时的力学特性现在还没有一个简单的方程可以概括。目前较常用的就是