置氫Ti–6Al–4V合金室溫變形行為及改性機理研究.pdf

1、鈦及其合金具有比強度高、高溫性能好以及防腐蝕能力強等一系列優(yōu)異特性，在航空航天、船舶、海洋等領域得到了廣泛的應用，是一種理想的金屬結構材料。然而，大部分鈦合金在室溫下塑性低，冷成形容易開裂，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)濟手段。所以，有必要進一步開展鈦合金室溫塑性成形技術的基礎研究工作，盡快實現(xiàn)鈦合金室溫塑性成形技術的應用。鈦合金熱氫處理技術可以改

2、善鈦合金的力學性能，但是氫對鈦合金室溫塑性變形行為的影響及其機理一直缺乏系統(tǒng)的研究，本文主要針對這個問題進行了深入研究。
　　利用光學金相顯微鏡、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備研究了氫含量對 Ti-6Al-4V合金微觀組織的影響，并對置氫 Ti-6Al-4V合金室溫壓縮變形過程中微觀組織的演變進行了研究。結果表明：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。氫促進了位錯的增殖。
　　利用INSTRON-5569型材料試驗機對合金進行了室溫拉伸試驗，研究了氫含量對 Ti-6Al-4V合金室溫拉伸性能的影響。結果表明：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 Ti-6Al-4V合金拉伸斷裂行為的影響及機理，本文利用原位拉伸試驗對合金拉伸變形過程中裂紋的萌生、擴展及斷裂的全過程進行實時觀察

4、和錄像，并利用有限元模擬技術對合金的拉伸過程進行了模擬，分析了拉伸變形過程中合金的應力應變分布規(guī)律。
　　利用ZWICK/Z100型材料試驗機對合金進行了室溫靜態(tài)壓縮試驗，并利用電磁成形機對合金進行了高速壓縮試驗，系統(tǒng)研究了氫含量和應變速率對合金室溫壓縮性能的影響。結果表明：Ti-6Al-4V合金無論是在靜態(tài)下壓縮變形，還是在高速率下壓縮變形，合適的氫含量對 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56.3％），降低對成形設備及模具的要求。
　　揭示了置氫鈦合金室溫塑性變形的改性機理，并建立了理論模型。氫對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。拉應力會加速晶界處裂紋的萌生和擴展，并促進晶間變形。隨著氫含量的增加，晶界或相界處氫化物的含量逐漸增加，導致晶界或相界逐漸變?nèi)?，使其力學性能逐漸惡化。而壓應力可以抑制或削

6、弱裂紋的萌生和擴展，減少合金的晶間變形。當氫含量較低時，固溶態(tài)氫和氫化物對壓縮性能影響較小，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，導致晶間變形的作用逐漸增加，使合金的塑性下降，此時脆性的氫化物相對合金的壓縮性能所起的作用逐漸增強。
　　根據(jù)熱重試驗結果制定了置氫 Ti-6Al-4V合金的除氫規(guī)范，對置氫 Ti-6Al-4V合金進行了真空除氫處

7、理，并對除氫合金的微觀組織及室溫力學性能等進行了研究。結果表明：除氫過程中，置氫 Ti-6Al-4V合金中亞穩(wěn)定相發(fā)生分解，轉變?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，導致組織細化，但是晶粒形貌沒有恢復，導致合金的室溫力學性能有所恢復，但沒有完全恢復。
　　利用M-200型摩擦磨損試驗機于室溫大氣中對合金進行干滑動摩擦磨損試驗，以研究氫對 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、法對磨損試驗后的銷試樣及對磨盤的微觀形貌和成分進行了觀察和分析，以揭示合金的磨損機理。結果表明：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，除氫合金的磨損機理主要是氧化磨損和磨粒磨損。結果表明當除氫合金應用于摩擦磨損領域時，仍需進行表面處理，以提高其抗磨性。