TA7/TA15近α钛合金应力松弛行为及机理研究

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TA7、TA15钛合金具有比强度高、高温性能好及良好的焊接性能等优点,因而被广泛用于航空航天中的结构件中。应力松弛现象的发生会导致部件内部的预紧力随着时间而减小,继而会造成密封泄露或松脱事故的产生。然而,综合国内外研究,对于近α合金应力松弛行为的研究少之又少,此外,也缺乏对材料的抗松弛性能与温度和初始应力之间的关系。本文通过对近α钛合金进行不同温度(500℃、550℃、600℃、650℃)和初始应力下(100MPa、200MPa、300MPa)的应力松弛试验,研究了温度和初始应力对其应力松弛行为的影响。试验结果表明近α合金的应力松弛曲线呈现典型的指数衰减型应力松弛的特点,且温度对应力松弛的影响较大。此外还采用诺顿方程求出应力指数n对其松弛机制进行了初步判定并结合OM、EBSD、SEM、TEM等手段结合微观组织对其松弛机制进行了具体的分析。论文的主要研究内容和结果如下:(1)对TA7钛合金应力松弛行为进行了试验研究,在550℃、600℃、650℃下对TA7钛合金进行了高温拉伸实验,其屈服强度分别为647.1MPa、451.7MPa、367.6MPa。并据此在相同条件下进行了应力松弛实验,一方面,应力松弛呈现显著的指数衰减规律,随温度升高,其松弛极限减小、松弛效率提高;另一方面,随着温度与初始应力的提升,晶粒尺寸也有一定程度的细化;TA7在其不同条件下的应力指数为2-8,且随温度的升高应力指数越来越小,结合EBSD可知,其小角晶界随温度升高而减小,亚结构逐渐向亚晶界、晶界转变,期间伴随着晶粒的细化与长大。另外通过施密特因子的变化可知应力松弛的过程中会伴随一定的晶粒转动现象。(2)对TA15钛合金应力松弛行为进行了试验研究,在500℃、550℃、600℃下对TA15钛合金进行了高温拉伸实验,其屈服强度分别为462.3MPa、617.0MPa、547.1MPa。并据此在相同条件下进行了应力松弛实验,同样的TA15应力松弛呈现明显的指数衰减规律,随温度升高,松弛极限减小、松弛效率提高;提高温度与初始应力,其晶粒存在细化现象,但是也会导致其出现比较强烈的择优取向;其不同条件下的应力指数同样为2-8,其主要的应力松弛机制也是由位错滑移向位错滑移、位错攀移及晶界滑移和晶粒转动转变;与TA7不同的是,其小角晶界随着温度的升高而增加;应力松弛所产生的晶粒细化是由于β相的作用的结果。(3)对近ɑ钛合金应力松弛规律进行了分析,通过归一化处理分析了温度与初始应力对TA7、TA15的应力松弛的影响,并基于激活能、β相、位错密度对TA7、TA15应力松弛机制进行了分析;同时建立了TA7、TA15应力松弛模型并进行有限元分析,模拟了热处理过程中的应力变化,对去应力退火模拟起到明显的修正效果。
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