热氧化钛合金动态力学性能研究

作     者：张占彪 

作者单位：河北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：牛晓燕

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：TC4 热氧化钛合金 霍普金森压杆 Johnson-Cook 模型 有限元分析 半球壳 

摘      要：近些年,钛合金在航天工程、汽车制造业、体育医疗器械制造等领域应用越来越广泛,主要是因为钛合金良好的性能特征,如耐蚀性、比强度较高,生物相容性优异等。同时,其硬度相对较低、耐磨性差、表面力学性能较弱等限制了钛合金的使用范围,也对产品的安全性和可靠性提出了挑战。研究表明,钛的氧化物具有硬度高、耐磨性能好的优良性能,其中氧是固溶于钛合金的,基于此,本文对钛合金进行了氧化处理,形成表面氧化层,以达到提高钛合金的强度,提升其耐磨性及表面力学性能的目的。实验表明,对钛合金进行热氧化处理后,其表面磨损量和摩擦系数都有所下降,为进一步优化经过表面处理后钛合金的摩擦性能,了解所涉及的摩擦学机制,定量考察氧化处理后钛合金动态下的弹塑性力学性能参数尤为重要。基于以上问题,本文对TC4热氧化钛合金的力学性能进行了系统性的研究,主要工作和结果如下:(1)在不同工况下,采用电子万能材料试验机和分离式霍普金森压杆装置(SHPB)对TC4热氧化钛合金分别进行了准静态和动态试验,通过得出的实验数据和Johnson-Cook模型拟合得到TC4热氧化钛合金的动态本构关系。(2)对TC4热氧化钛合金半球壳在子弹冲击作用下的过程进行数值模拟,利用上述工作得到的TC4热氧化钛合金的Johnson-Cook动态本构关系,对比分析考虑材料应变率效应和不考虑材料应变率效应下的半球壳的力学响应,重点考察了接触力峰值、顶点位移力学指标。分析结果表明,材料应变率效应对半球壳冲击作用下的力学性能有显著的影响。更进一步证明了研究TC4热氧化钛合金材料本身应变率效应有着十分重要的意义。