【摘 要】
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TC16钛合金因其比强度高、质量轻、抗高温和耐腐蚀等优良的综合性能成为航空紧固件的新型材料之一。但由于TC16钛合金紧固件冷变形容易出现头部开裂等损伤,导致冷镦技术不够成熟,紧固件冷镦依旧存在问题。因此,本文主要对TC16钛合金冷变形进行分析和研究,为冷镦提供一些理论基础和技术支持。本文实验方法如下:（1）对TC16钛合金进行室温下的压缩(0.1s-1、1.0s-1、10.0s-1)、拉伸(0.1
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TC16钛合金因其比强度高、质量轻、抗高温和耐腐蚀等优良的综合性能成为航空紧固件的新型材料之一。但由于TC16钛合金紧固件冷变形容易出现头部开裂等损伤,导致冷镦技术不够成熟,紧固件冷镦依旧存在问题。因此,本文主要对TC16钛合金冷变形进行分析和研究,为冷镦提供一些理论基础和技术支持。本文实验方法如下:（1）对TC16钛合金进行室温下的压缩(0.1s-1、1.0s-1、10.0s-1)、拉伸(0.1s-1、1.0s-1、2.0s-1、10.0s-1)和扭转（120deg/min、240deg/min、360deg/min）基础物理模拟实验和金相实验,得到相对应的应力-应变、力-位移和扭矩-转角之间的关系,对拉伸和扭转断口形貌进行测量和观察,并对微观组织结构进行观察分析,获得建立损伤模型所需要的实验数据。（2）基于连续介质损伤力学理论,考虑内部状态变量（应力、应变率、应力三轴度、Lode角参数、硬化率等）,建立并求解出一套统一粘塑性损伤本构模型;利用遗传算法对损伤方程的常数进行求解;最后对模型的有效性进行验证。（3）将模型通过有限元软件的二次开发导入进DEFORM-3D软件中,对室温拉伸实验进行仿真分析,与真实实验进行对比;同时进行紧固件冷镦工艺仿真,分析材料流动、位错演化、塑性损伤和温升等对紧固件成形的影响。（4）最后设计并加工出紧固件冷镦模具,在模具中进行不同变形量（2.8 mm、3mm、4 mm、5 mm、6mm）和不同成形工位（一工位、两工位）的紧固件冷镦实验,对不同工艺镦压后的紧固件宏观形貌和微观结构进行观察分析,探究TC16航空紧固件的成形机理。实验结果表明:（1）压缩实验中没有出现损伤,三条不同应变率的应力应变曲线相交于真应变0.4。1.0s-1应变率时应力-应变曲线稳定,适合冷镦。在0.2-0.6真应变范围内,微观组织结构分布均匀,适合冷镦。（2）拉伸实验中,峰值应力会随着试样缺口半径的减小而增大,拉伸断口会出现45°开裂现象。扭转实验的断裂应变随着扭转速度的增加而增大。（3）利用建立的粘塑性损伤本构模型对室温拉伸实验进行仿真,发现高的应力三轴度、低的Lode角参数、应力集中和最大的损伤均分布在断口附近,这与实验结果吻合。仿真的紧固件中发现,塑性损伤最容易产生于头部的剪切带区。（4）TC16紧固件冷镦时,两工位成形的紧固件表面光洁,微观结构好,显微硬度比一工位均匀,适合直接使用。紧固件头部均出现一字交叉剪切带,随着变形量的增大,逐渐从头部最上方向中间移动,变形量6mm时,头部沿剪切带方向出现开裂,此时,剪切带微观上呈现白亮色,组织纤维化,晶界平直。
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