高强韧Ti421合金板材微观结构演变及力学响应行为研究

作     者：桑卓越 

作者单位：重庆理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周志明;姚佳昊

授予年度：2024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：钛合金 微观组织演变 应力诱导相变 强化机制 抗弹性能 

摘      要：目前,学者们围绕钛合金热处理强化行为进行了大量研究,主要关注其微观组织变化与力学性能的对应关系。但仍有不足的是:钛合金在固溶退火之后的应力诱导相变以及其变形机制尚不清晰;钛合金在热处理强化时,其具体的强化机制研究尚存在欠缺;不同显微组织类型下的动态力学响应行为的研究较少;在装甲钛合金领域,针对不同组织类型的合金抗弹性能以及其失效机制研究较少。因此,本文针对一种新型低成本的Ti421合金板材（厚8.5 mm）为研究对象,对其经过不同温度固溶退火之后的微观组织以及其准静态加载下的变形行为进行了研究。其次,在进行热处理强化之前,分析了合金在典型微观结构（双态微观组织）下的组织特点及其强化机制。随后,利用目前应用最广的固溶时效热处理工艺对合金进行了强韧化处理,分析了不同热处理工艺参数对其微观组织演变以及其准静态拉伸性能之间的关系,最后,针对三种不同工艺获得的合金板材进行了抗弹性能测试。 研究合金其在不同温度固溶后的固态相变的类型及准静态力学性能,揭示合金在变形过程中发生的相变反应以及其变形机制。结果表明,经过870℃固溶处理之后的合金表现出极高的应变硬化率（Strain Harding Rate,SHR:8.8 GPa）以及良好的塑性（Elongation:19.1%）。对其变形机制研究发现,在经过2%以及5%拉伸变形之后,微观组织中发现了大量的马氏体（Stress Induced Martensite Transition,SIM）以及孪晶)（Stress Induced Twinning）,通过高分辨下的几何相位分析（Geometric Phase Analysis:GPA）可视化了在变形过程中马氏体以及孪晶的产生与位错的运动有着密切的相关性。除此之外,在合金的整个变形过程中,初生α相（α）在应力传递方面起到了重要的作用,随着变形量的逐渐增加,其内部位错数量逐渐增多。 针对8.5 mm后的合金板材进行固溶时效处理,获得了典型的双态微观组织。结果发现在经过时效处理之后,α沉淀相的析出以及内部的位错密度发生了显著变化,在准静态拉伸过程中引起了合金屈服强度的明显提升。经过固溶时效处理后的合金屈服强度（Yield Strength,YS）达到了1510 MPa,优于目前大多数的高强钛合金。利用四种典型的强化机制对Ti421合金在双态微观组织下的屈服强度进行了理论计算,结果表明在本征固溶强化、晶界强化、位错强化以及沉淀相强化当中,次生α相（α）沉淀引起的合金强化是一个重要的因素。这为后续的合金热处理强化提供了思路。 在双态微观组织的基础上,对Ti421合金固溶时效热处理工艺参数进行了优化;结果发现,随着冷却速率的降低,合金α的含量增多并且尺寸增大,引起合金拉伸性能中强度的下降而塑性的提升。其次,在相同的固溶温度下,合金微观组织中α的相含量及尺寸未发生明显变化,而次生α相的平均宽度从125.2 nm增大至248.3nm,这引起合金强度的下降而塑性的提升。α相在阻碍位错运动方面起到了重要的作用,因此可以显著提升合金强度。最后,时效时间对合金微观组织的影响较时效温度较小。因此可以得出结论,α主要受固溶冷却方式的影响,而在相同的固溶条件下,α主要受时效温度的影响。 利用霍普金森压杆装置（Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB）探究了合金在不同微观组织上体现的动态力学性能差异,结果发现合金在双态组织以及网篮组织下具有较高的动态压缩强度以及优良的断裂延伸率。结合合金在准静态拉伸以及动态压缩性能,选用三种不同热处理工艺后处理的合金板材进行抗侵彻能力测试,弹体选用7.62 mm普通钢芯弹,射距为100 m。研究发现,经过900℃固溶处理以及930℃/30 min/WQ+550℃/6 h/AC处理得到的合金板材出现了击穿现象,并且观察沿弹孔裂纹扩展处的微观组织中发现大量裂纹与绝热剪切带（Adiabatic Shear Band:ASB）。相比较而言,经过930℃/30 min/AC+550℃/6 h/AC处理后得到的板材抗弹性能良好,未出现击穿现象。对比三种靶试板材微观结构发现,裂纹的萌生与决然剪切带相关。绝热剪切带内部萌生的空洞成为了裂纹的形核点,导致板材出现裂纹扩展开裂。