TC4ELI板材组织性能及室温蠕变研究

作     者：汤苏晋 

作者单位：东北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王平

授予年度：2021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：钛合金板材 热轧工艺 显微组织 室温蠕变 

摘      要：TC4ELI合金是一种性能优异的结构金属钛合金，是深海潜水器载人球壳的常用材料，这对它的力学性能、室温蠕变性能都提出了很高的要求。由于TC4ELI钛合金板材轧制过程中较为容易形成织构并导致其性能的各向异性，对零件使役性能有很大影响，所以有必要对其进行深入研究。 本文分别采用XRD、EBSD织构测定和力学性能测试，研究了 TC4ELI钛合金热轧态板材的晶粒取向分布与常温拉伸力学性能。结果表明，轧板中的晶粒具有强烈的取向集中，其α相的c轴平行于轧板横向(TD)。板材在TD方向的屈服强度与抗拉强度最高，其次是45°方向，最后是轧向，屈强差与伸长率则是轧向最高、横向最低，合金板材表现出突出的力学性能各向异性。同时，合金的加工应变率曲线在应变量较小时，同样呈现出较明显的各向异性。轧向拉伸试样的加工硬化指数(n-average=0.069)要高出横向拉伸试样(n-average=0.064)7.8％,高出45°方向拉伸样(n-average=0.051)接近35.3％。织构的存在是造成这种合金板材力学性能与加工硬化行为各向异性的主要原因，这与基于Schmid因子的滑移系启动差异性有关。魏氏组织TC4ELI合金同样存在力学性能与加工硬化行为的各向异性，但这种差异较小。并且随着应变量的增加魏氏组织TC4ELI合金加工硬化指数减小。 在此基础上本文进一步研究了热轧态及魏氏组织轧向、横向、45°向的TC4ELI合金在不同加载应力条件下的室温蠕变特性，进行了一定应力水平的室温蠕变实验，获得TC4ELI钛合金材料的蠕变应变-时间曲线，计算出稳态蠕变速率。结果表明，拉伸蠕变曲线在实验时间内只有两个阶段，即初始减速蠕变和稳态蠕变。当外加应力增大时，拉伸蠕变更快从初始阶段到稳态阶段，且稳态蠕变速率随应力增大而增大。TC4ELI合金的拉伸蠕变曲线可以验证其是存在应力阈值σ0，大概为0.8 σs。当外加应力小于应力阈值时只发生初始蠕变;当外加应力大于应力阈值时，蠕变出现稳态蠕变阶段。三种方向热轧态合金的抗蠕变性能从低到高依次为45°轧向横向，45°向试样在相同时间内蠕变量总是最大、进入第二阶段的速度最快，其加工硬化指数最低，蠕变指数最高。 热轧态组织与魏氏组织都具有较大的蠕变应力指数，并且热轧态组织各向的蠕变应力指数都大于魏氏组织，蠕变应力指数与蠕变抗性成反比，因此魏氏组织合金的蠕变抗性要好于热轧态组织。同时魏氏组织蠕变性能也存在各向异性，但相较于热轧态试样差异较小，稳态蠕变速率对应力的敏感性也要更弱。并且魏氏组织各向异性不同于热轧态试样，在相同外加应力条件下，热轧态TC4ELI合金的TD方向试样较RD与45°抗蠕变性能更好,而魏氏组织的TC4ELI合金在TD方向的蠕变量较其他方向试样总是最大，并且稳态蠕变速率最高，这表明魏氏组织TC4ELI合金在TD方向的抗蠕变性能最差。可为今后TC4ELI钛合金结构材料对显微组织及板材取样方向的选择提供参考。