论文部分内容阅读
TC21合金是一种具有高强、高韧、损伤容限型两相(α+β)新型钛合金,其具有优异的损伤容限性能,热变形是其主要的加工方式之一。不同的热变形工艺参数,得到不同形态的微观组织,其相应的机械性能也随之变化,因此,进行微观组织对损伤容限性能影响规律的研究,具有实际的工程应用意义。本文针对β锻造TC21合金微观组织与损伤容限性能之间关系进行了相关研究,主要工作如下:首先,在分析和研究了传统的损伤容限性能的研究方法的基础上,本文采用裂纹扩展断裂分析专用有限元软件FRANC2D/L,参照其宏观裂纹扩展的模式,模拟β锻造TC21合金微观组织的裂纹扩展过程。其次,利用该软件建立β锻造TC21钛合金网篮组织的不同片层厚度的晶粒模型,从微观的角度对疲劳裂纹的扩展过程进行模拟,分析在该过程中表征损伤容限性能的重要指标:微裂纹扩展速率da/dN、裂纹扩展门槛值△Kth、断裂韧性KIC之间的关系。结果表明:相同实验条件下,随着晶粒尺寸d的增大,△Kth变大,da/dN变快;采用分段模拟的方法得到疲劳裂纹扩展速率曲线,与实验结果进行对比,并进行误差和相关系数分析,吻合性较好。此外,对于β锻造TC21合金的复杂形状零件有可能进行后续的超塑成形加工,因此有必要研究该合金超塑成形的微观组织对损伤容限性能的影响。建立β锻造TC21合金不同温度下超塑性拉伸试样的晶粒模型、模拟扩展过程、分析其晶粒片层厚度对损伤容限性能的影响:随着温度的升高,晶粒发生聚集再结晶长大,da/dN随着片层尺寸的长大而升高,△Kth亦变大;并分析了网篮组织片层结构的断裂韧性较高的原因。同时,将模拟结果与实验结果进行对比,有一些出入,相关系数r逐渐降低,因为实验结果是在非超塑变形的条件下获得。通过上述的工作,得到如下结论:(1)模拟过程实现了微裂纹在各个扩展阶段的形状及扩展路径的变化,模拟结果与实验结果相吻合,该方法可行;(2)在相同的模拟条件下,片层厚度在[1.18~2.08]um之间增大,裂纹扩展门槛值△Kth及裂纹扩展速率da/dN均变大,损伤容限性能下降;(3)随着超塑性温度的升高,β锻造TC21合金的裂纹扩展速率da/dN变快,损伤容限性能逐渐变差;当温度升高到850℃以上,显微组织明显粗化,试样与原材料片层厚度之比大于3.26时,微裂纹快速扩展、迅速长大至到临界尺寸,试样断裂。