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两种不同热处理工艺下亚稳β钛合金Ti-6Mo-5V-3Al-2Fe-2Zr的低周疲劳行为

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稀有金属材料与工程 2023年第2期52卷 658-666页

作者：刘知多张浩宇周舸程军张兴君陈立佳沈阳工业大学辽宁沈阳110870 西北有色金属研究院陕西西安710016 辽宁北方精密设备有限公司沈阳分公司辽宁沈阳110000

研究了固溶+等温时效及固溶+随炉冷却2种不同热处理工艺下Ti-6Mo-5V-3Al-2Fe-2Zr(质量分数,%)合金的低周疲劳行为。结果显示:固溶+等温时效处理后的M1合金显微组织中含有短棒状的晶内α相以及连续晶界α相;固溶+随炉冷却处理后得到的M2... 详细信息

研究了固溶+等温时效及固溶+随炉冷却2种不同热处理工艺下Ti-6Mo-5V-3Al-2Fe-2Zr(质量分数,%)合金的低周疲劳行为。结果显示:固溶+等温时效处理后的M1合金显微组织中含有短棒状的晶内α相以及连续晶界α相;固溶+随炉冷却处理后得到的M2合金显微组织中含有细长针状的晶内α相、连续晶界α相以及WGBα相。在0.6%、0.7%和0.8%的较低应变幅下M1合金和M2合金均呈现出循环稳定的现象,晶内α相间距较小的M2合金呈现出较高的应力幅值;在1.0%的较高应变幅下,由于背应力和摩擦应力的竞争机制,导致M1合金和M2合金均呈现循环软化现象。在0.9%和1.0%的较高应变幅下M2合金的背应力硬化速率相对较小,其循环软化现象更加明显,其应力幅值相对较低。M2合金的晶内α相将基体分割为若干“封闭单元”且β晶界处形成了向晶内平行生长的WGBα相,导致其低周疲劳寿命均低于M1合金。

关键词：亚稳β钛合金随炉冷却低周疲劳行为摩擦应力背应力

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考虑两种硬化方式的钛合金α相物理本构模型

塑性工程学报 2023年第8期30卷 176-181页

作者：杨泽昆吴建军闫晶喻忠平赵彦娇谢海南西北工业大学机电学院陕西西安710072 中国航空制造技术研究院北京100024

针对钛合金中的α相,推导了引起背应力的几何必需位错的演化方程,该方程包含位错的存储项与湮灭项,同时将几何必需位错与背应力联系起来,从物理机制层面解释了背应力的演化。此外,建立了同时考虑由于位错纠缠导致的各向同性硬化和背应... 详细信息

针对钛合金中的α相,推导了引起背应力的几何必需位错的演化方程,该方程包含位错的存储项与湮灭项,同时将几何必需位错与背应力联系起来,从物理机制层面解释了背应力的演化。此外,建立了同时考虑由于位错纠缠导致的各向同性硬化和背应力引起的运动硬化的物理本构模型,利用室温下纯钛的相关实验数据对本构模型进行了验证。结果表明,所提出的本构模型能很好地预测纯钛的应力-应变曲线;与几何必需位错相关的背应力具有较高的准确性,统计存储位错的变化符合相应规律,证实了该物理本构模型具有很好的适用性,为今后采用混合规则建立钛合金的多尺度本构模型以及嵌入仿真软件寻求最优的工艺参数提供了参考。

关键词：本构模型加工硬化几何必需位错背应力

Mn-V热处理双相钢中的Bauschinger效应——背应力、瞬时软化、不匹配应变的关系探讨

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河南科学 1991年第2期9卷 71-77页

作者：马鸣图孙珍宝中汽联重庆汽车研究所冶金部钢铁研究总院重庆630039

为了进一步弄清双相钢中的 Bauschinger 效应、背应力、Bauschinger 应力(瞬时软化)、有效不匹配应变之间的关系,以及应变时效的影响,对各种状态的Mn-V 热处理双相钢进行了拉—压试验;结果表明:该钢具有极明显的瞬时软化和相当数量的永... 详细信息

为了进一步弄清双相钢中的 Bauschinger 效应、背应力、Bauschinger 应力(瞬时软化)、有效不匹配应变之间的关系,以及应变时效的影响,对各种状态的Mn-V 热处理双相钢进行了拉—压试验;结果表明:该钢具有极明显的瞬时软化和相当数量的永久软化。448°K 的应变时效可使瞬时软化消失,但永久软化仍然存在;测量了变形双相钢试样中的矫顽力各向异性,并表明这一物理量的大小与背应力有关;讨论了背应力、永久软化、Bauschinger 应力、有效不匹配应变之间关系。

关键词：双相钢热处理背应力瞬时软化

反向流变时双相钢矫顽力各向异性及背应力的变化

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科学通报 1986年第18期31卷 1428-1431页

作者：马呜图陈笃行孙珍宝北京钢铁研究总院

在双相钢Bauschinger效应的研究中,背应力是一个重要的物理参量,并且背应力与金属构件的尺寸稳定性、氢脆、弹性松弛、疲劳以及力学性能的方向性等有关。因此,对背应力的研究具有重要的实际意义。但是关于反向流变时背应力的变化及其测... 详细信息

在双相钢Bauschinger效应的研究中,背应力是一个重要的物理参量,并且背应力与金属构件的尺寸稳定性、氢脆、弹性松弛、疲劳以及力学性能的方向性等有关。因此,对背应力的研究具有重要的实际意义。但是关于反向流变时背应力的变化及其测试方法尚未见文献报道。在最近的工作中,我们报道了时效对双相钢Bauschinger效应和矫顽力的影响,并表明矫顽力各向异性和背应力有关。本文目的在于测定反向流变时矫顽力各向异性的变化,流变应力与矫顽力各向异性的关系,以研究背应力在反向流变时的变化过程。

关键词：矫顽力向异流变应力矫顽场磁化背应力拉伸预应变双相钢复相钢

Ti/Mo梯度多层膜的微观组织和力学性能研究

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Ti/Mo梯度多层膜的微观组织和力学性能研究

作者：胡亚娟西安理工大学

学位级别：硕士

钛合金因密度小、比强度高、耐蚀与生物相容性好等优点而在航空、航天、生物医学等领域的应用不断扩大,然而,硬度低、耐磨性差、对微动损伤异常敏感等缺点极大地限制了钛合金的广泛应用。纳米金属多层膜因具有高硬度而在防护钛合金的微... 详细信息

钛合金因密度小、比强度高、耐蚀与生物相容性好等优点而在航空、航天、生物医学等领域的应用不断扩大,然而,硬度低、耐磨性差、对微动损伤异常敏感等缺点极大地限制了钛合金的广泛应用。纳米金属多层膜因具有高硬度而在防护钛合金的微动损伤方面有极大潜力。但大多数金属多层膜随着单层厚度的减小呈现出强/硬度增加而塑/韧性显著降低的变化趋势,难以同时获得高硬度和高韧性,这种强韧性失调的问题严重制约了纳米金属多层膜对钛合金等金属零部件的微动损伤防护效果。为了在不降低纳米金属多层膜峰值硬度的同时显著提高其韧性,本文在传统均匀结构纳米金属多层膜(单层厚度沿薄膜生长方向恒定不变)的基础上,将单层厚度设计为沿薄膜生长方向梯度变化,并利用磁控溅射技术在钛合金表面制备了一系列Ti/Mo梯度多层膜,研究结构梯度对梯度多层膜微观组织结构、强韧性以及摩擦学性能的影响规律和微观机制。研究结果表明:(1)所制备的不同结构梯度的Ti/Mo梯度多层膜和不同单层厚度的均匀结构多层膜的膜层界面清晰且平直,截面呈现明显的柱状晶结构,表面致密平滑,未出现空洞、裂纹和杂质等缺陷,表面粗糙度均小于2nm。Ti/Mo梯度多层膜的单层厚度沿着薄膜生长方向逐渐减小,总膜厚(约1.4μm)与预期设计基本一致。随着Ti/Mo梯度多层膜结构梯度的增大,大尺寸层体积分数逐渐增加,形成了Ti(0002)及Mo(110)的择优取向。(2)随着结构梯度的增大,Ti/Mo梯度多层膜的硬度和断裂韧性均表现出先增大后下降的变化趋势。获得峰值硬度的单层厚度为10nm的均匀结构金属多层膜(M10)的硬度为19.8GPa,断裂韧性为0.73MPa·m1/2;而优化的Ti/Mo梯度多层膜(GMD)同时具有更高的硬度(21.3GPa)和韧性(在2.94N载荷下的维氏压痕未出现裂纹),表明该梯度多层结构能够实现在不降低峰值硬度的同时显著改善其韧性,且呈现出了额外的强化效果。梯度多层膜GMD的纳米压入变形行为和背应力的研究结果表明梯度多层结构能够有效抑制应变局域化,这与梯度多层结构在变形时能诱导产生更高密度的几何必需位错有关,而几何必需位错的堆积能产生更高的背应力,从而赋予梯度多层膜更高的强度和优异的应变硬化能力。(3)Ti/Mo梯度多层膜GMD在往复式摩擦磨损试验中的磨痕宽度和比磨损率均取得最小值,该结果表明硬度越高和韧性越好的梯度多层膜的耐磨性能越好,其磨损机制主要为磨粒磨损。微动磨损试验表明部分滑移区内韧性较好的梯度多层膜GMD的抗微动磨损性能优于M10,磨损机制以粘着磨损为主,伴随着氧化磨损;完全滑移区内硬度相差不大的梯度多层膜GMD和均匀结构多层膜M10的抗微动磨损性能相当,磨损机制以磨粒磨损为主,伴随着粘着磨损和氧化磨损。

关键词：梯度多层膜强韧性背应力微动磨损

双相Fe65Ni15Co10Cr10中熵合金微观组织非均质调控及其对力学、腐蚀性能的影响

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双相Fe65Ni15Co10Cr10中熵合金微观组织非均质调控及其对力学、腐...

作者：孙傲然西安理工大学

学位级别：硕士

高熵合金及中熵合金代表了一类由多个主组元构成的合金固溶体,是近年来发展的一种新型金属材料。多主组元构型导致高熵及中熵合金具有高的构型熵、慢的原子扩散、大的晶格畸变以及性能上的“鸡尾酒效应”等特殊的内在特征。因此,高熵及... 详细信息

高熵合金及中熵合金代表了一类由多个主组元构成的合金固溶体,是近年来发展的一种新型金属材料。多主组元构型导致高熵及中熵合金具有高的构型熵、慢的原子扩散、大的晶格畸变以及性能上的“鸡尾酒效应”等特殊的内在特征。因此,高熵及中熵合金丰富了合金的设计思路,为新型高性能合金的设计提供了参考。等原子比或近似等原子比高熵及中熵合金是已开发多主元合金中的一大类,它们一般具有良好的力学、物理及化学性能,但是相对较高的制备成本成为其作为实际结构材料应用的重要瓶颈。因此,寻求在保留较好性能的同时降低制备成本具有重要的科学意义和工程价值。为了协调成本-性能关系,近年来科学家们开发出了一种具有低成本和优异低温力学性能的铁基中熵合金(FeMEA)。然而,该类合金轧制态退火调控过程的组织演化、及其与相应力学及腐蚀行为的关系未见文献报道,内在的机制函需进一步系统研究。本论文以轧制态双相Fe65Ni15Cr10Co10中熵合金为研究对象,通过不同温度的退火调控,利用XRD、EBSD及TEM测试,系统研究其微观组织的演化。利用准静态拉伸测试,分别对不同退火调控样品在室温及液氮温度的力学性能进行研究,建立退火组织与相应力学性能的关系。利用电化学及浸泡测试,研究了不同退火调控样品在室温及低温的耐腐蚀性能,建立退火组织与相应腐蚀性能的关系。主要研究结果如下:(1)制备的退火调控轧制态Fe65Ni15Cr10Co10中熵合金样品均为面心立方(Face-Centered-Cubic,FCC)+体心立方(Body-Centered-Cubic,BCC)的双相结构。(2)轧制的样品在0℃-550℃范围的退火调控过程出现了明显的反常退火强化,其中强度最高值出现在450℃退火的样品中。反常强化的内在机制归结于退火诱发轧制态样品的位错重构、纳米晶界增加、应变及组织异质结构等协同作用。(3)在低温(-196℃)拉伸条件下,轧制样品在0℃-550℃范围退火调控过程出现了明显反常的强度-塑性协同提升,其中性能最优值同样出现在450℃退火样品中。反常强度-塑性协同提升的内在机制与相变诱导塑性效应(TransformationInduced Plasticity,TRIP)密切相关。(4)在不同温度的电化学测试中,所有退火调控样品在3.5wt.%NaCl溶液中的腐蚀抗力及局部抗点蚀能力均呈现明显的正温度依赖性。温度越低自腐蚀电位(Self-corosion potential,Ecorr)越高、自腐蚀电流密度(Self-corrosion current density,Icorr)越低且点蚀电位(Breakdown potential,Eb)越高。(5)不同退火调控样品的腐蚀测试表明,退火温度越高,样品的耐蚀性越好,这与退火诱发的样品缺陷密度降低密切相关。随退火温度的升高,轧制引入的位错密度降低及应变组织异质结构湮灭,这提高了合金的腐蚀抗力,导致合金整体耐蚀性升高。

关键词：中熵合金异质结构力学性能腐蚀行为背应力

718Plus高温合金中梯度结构对高温拉伸性能的影响规律研究

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718Plus高温合金中梯度结构对高温拉伸性能的影响规律研究

作者：李亚运贵州大学

学位级别：硕士

718Plus是一种新型的变形高温合金,具有良好的可加工性、耐腐蚀性和热稳定性,被广泛应用于高温、高压等条件下。718Plus合金是以γ奥氏体相为基体,主要析出相为η和γ′相,其主要强化方式为γ′相的析出强化。大量研究表明η相对晶界有... 详细信息

718Plus是一种新型的变形高温合金,具有良好的可加工性、耐腐蚀性和热稳定性,被广泛应用于高温、高压等条件下。718Plus合金是以γ奥氏体相为基体,主要析出相为η和γ′相,其主要强化方式为γ′相的析出强化。大量研究表明η相对晶界有显著的钉扎作用,可以提高晶界的高温稳定性,因此对η相的调控是控制718Plus高温性能的关键。热变形是高温合金组织调控的常用手段,然而国内外对718Plus合金的热变形研究较少,缺乏对热变形过程中η相析出行为的研究。而近些年来热议的梯度结构,通过形成不均匀的梯度晶粒组织来提高材料的力学性能。然而现阶段的研究都集中在室温性能方面,梯度组织在高温下的对拉伸性能的影响及机制还有待研究。针对以上问题,本文对718Plus合金进行热变形试验,系统的探究了热变形过程中η相的回溶与析出规律。以此为基础进一步探究梯度组织对合金高温拉伸性能的影响及机制,并且优化超声滚压参数,改变滚压道次,进一步探究不同的梯度组织对718Plus合金高温拉伸性能的影响及机制。(1)对原始态和固溶态的718Plus合金进行不同变形参数的热变形试验,系统的探究热变形过程中组织的演变规律。对于流变曲线,变形参数对流变曲线有明显影响,加工硬化和动态软化分别导致流变应力的上升和下降。原始态试样热变形过程中发生η相的回溶行为,η相的含量随温度和应变量的增加而减少,随应变速率的增加而增加。η相在热变形过程发生变形弯曲、断裂破碎和回溶现象,随变形量的增加η相会逐渐沿材料的流变方向平行排列。固溶态718Plus合金在热变形过程中发生η相的析出行为。与常规热处理相比(940～960℃),热变形会导致η相的析出峰值温度降低到920℃。热变形过程中动态再结晶行为与η相析出存在的竞争关系导致了析出峰的下降。(2)对于固溶态718Plus合金,通过表面超声滚压工艺(8道次)与后续热处理的结合,在试样表面引入η相和再结晶晶粒的梯度分布。高温拉伸试验表明,与标准试样相比,滚压试样在704℃下的强度提高,塑性没有明显的恶化。拉伸过程中梯度组织中产生额外的几何必须位错会引起背应力硬化,最终导致了梯度结构强度的提高,η相对晶界的钉扎作用导致晶界具有良好的热稳定性。滚压试样中心区域在拉伸变形过程中吸收大量塑性变形,使试样塑性得以保存。(3)探究了不同滚压参数(8、16、32道次)对梯度结构的影响,以及不同梯度结构对合金高温拉伸性能的影响及机制。结果表明,随滚压道次增加,梯度层厚度与η相含量增加,再结晶晶粒分布范围深度增加,当滚压道次大于16道次,滚压道次对组织的影响减弱。滚压试样的强塑性指标随滚压道次的增加而增加,在16道次后趋于稳定。在滚压试样中,滚压道次对强度没有明显影响,滚压试样塑性的提升归因于表层η相对沿晶裂纹产生和扩展的抑制作用。

关键词：再结晶晶粒析出回溶 η相梯度结构高温拉伸性能背应力

异质结构Al-Mg-Si-Cu合金型材的制备及其组织与性能调控

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异质结构Al-Mg-Si-Cu合金型材的制备及其组织与性能调控

作者：钟世标江西理工大学

学位级别：硕士

Al-Mg-Si-Cu合金具有比强度高、可焊性和耐蚀性良好、成形性优异等特点,成为轻量化汽车车身和高速列车铝合金车体的首选材料。随着交通运输领域的发展,对车辆结构的性能也提出了更高的要求。本文以Al-Mg-Si-Cu合金为基体,引入低含量(2.3... 详细信息

Al-Mg-Si-Cu合金具有比强度高、可焊性和耐蚀性良好、成形性优异等特点,成为轻量化汽车车身和高速列车铝合金车体的首选材料。随着交通运输领域的发展,对车辆结构的性能也提出了更高的要求。本文以Al-Mg-Si-Cu合金为基体,引入低含量(2.3wt.%)Ti B-Ti C颗粒,制备出了具有Ti B-Ti C颗粒改性的Al-Mg-Si-Cu合金。通过常规热挤压加工技术和固溶时效热处理工艺相结合,获得了综合力学性能优异的异质结构Al-Mg-Si-Cu铝合金型材。研究了粒子对Al-Mg-Si-Cu合金铸态和热挤压态微观组织的影响,重点探讨了固溶热处理过程中合金型材的组织演变和异质组织的形成机理以及强化作用机制,同时,揭示了异质结构铝合金型材异质变形诱导(HDI)强化与析出强化的交互作用机理,得出以下主要结论:(1)Ti B-Ti C颗粒细化了Al-Mg-Si-Cu合金的铸态组织,合金的平均晶粒尺寸由74.7±0.8μm细化到了51.6±1.2μm;同时还抑制了热挤压过程中晶粒的再结晶。颗粒改性后,热挤压型材的抗拉强度和屈服强度分别由未粒子改性合金的225 MPa和105 MPa提高到了255 MPa和148 MPa,抗拉强度和屈服强度的增幅分别为13%和41%,具有良好的延伸率12.5%。(2)采用常规挤压-固溶热处理工艺,制备了具有异质结构Al-Mg-Si-Cu合金型材,且异质组织中粗细晶粒的比例可以通过固溶处理时间来实现调控。异质结构组织的形成归因于Ti B-Ti C颗粒分布不均匀,固溶热处理过程中,颗粒富集区的Ti B-Ti C颗粒对再结晶有强烈的抑制作用;而颗粒稀疏区的晶粒容易发生再结晶和晶粒异常生长。当异质组织中粗晶粒与细晶粒的比例约为2:1时,固溶热处理后的Al-Mg-Si-Cu合金的力学性能达到最佳(抗拉强度为345 MPa,屈服强度为227 MPa,延伸率为12.0%),与挤压态相比,抗拉强度和屈服强度分别提高了35%和53%。(3)优化了异质结构铝合金型材时效热处理工艺,采用欠时效热处理实现了析出强化和HDI强化的协同强化。与T6热处理相比,获得了更强的“强度-塑性匹配”,实现了强度和塑性的同步提升,抗拉强度由385 MPa提高到426 MPa,提升11%;屈服强度由366 MPa提高到401MPa,提升10%;延伸率由4.8%提高到8.0%,提升了67%。

关键词： Al-Mg-Si-Cu合金异质结构背应力颗粒力学性能

表层梯度结构对IN718高温合金力学性能的影响

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表层梯度结构对IN718高温合金力学性能的影响

作者：江维贵州大学

学位级别：硕士

IN718合金是以γ奥氏体相为基体,主要析出相为δ相和γ″相,其主要强化方式为γ″相的析出强化。大量研究表明δ相对晶界有显著的钉扎作用,可以提高晶界的高温稳定性。近些年来热议的梯度结构,通过形成不均匀的梯度晶粒组织来提高材料... 详细信息

IN718合金是以γ奥氏体相为基体,主要析出相为δ相和γ″相,其主要强化方式为γ″相的析出强化。大量研究表明δ相对晶界有显著的钉扎作用,可以提高晶界的高温稳定性。近些年来热议的梯度结构,通过形成不均匀的梯度晶粒组织来提高材料的力学性能。然而对梯度结构的研究大都集中在室温性能上,对与高温性能的影响任然不清楚,特别是包含析出相梯度的梯度结构。针对以上问题,本文探究梯度结构对合金高温拉伸性能的影响及机制。并且改变滚压道次,进一步探究不同的梯度层深对IN718合金高温拉伸性能的影响及机制。此外对不同晶粒尺寸的样品进行相同的表面处理,探究心部和表层晶粒差值不同时带来的性能上的差异以及相关机理。（1）研究了包含析出相和晶粒的梯度结构对IN718合金高温拉伸性能的影响。采用超声表面滚压工艺和后续热处理在表面梯度层中获得了高密度的δ-NiNb相和细小的再结晶γ晶粒。梯度层中δ相的数量随着层深的增加而减少,而再结晶γ晶粒的尺寸则呈现出相反的趋势。值得注意的是,梯度结构在室温下没有表现出显微硬度梯度,但在高温拉伸测试中表现出优异的强度和塑性。这种梯度结构促进了塑性变形过程中高密度的几何必要位错在梯度层中的积累,从而产生额外的背应力强化。因此,形成具有析出相的梯度结构为在高温下实现强度和塑性的良好结合提供了新的途径。（2）探究了不同梯度层深（梯度占比）对高温力学性能的影响以及相关机理。通过改变滚压道次和相关给进深度来控制表层梯度层深度。经过相同的热处理心部基体晶粒相近,表层梯度结构分布不同。结果表明,随滚压道次增加,梯度层厚度与δ相含量增加,再结晶晶粒分布范围增加。滚压试样的强度随着梯度占比的增加而增加。梯度占比对试样的性能有显著影响,在低占比（梯度占比4.8%）试样中并未表现出比均匀试样更好的强塑积;在较高的占比中（梯度占比7.2%和8%）梯度试样表现出优于均匀试样的强塑积。当梯度层达到一定的占比后,具有梯度结构的试样产生的背应力强化和背应力硬化才能使得高温下的强塑积提升。（3）探究了梯度结构心部晶粒尺寸差异对高温力学性能的影响以及相关机理。对样品进行不同温度的固溶,获得了晶粒尺寸不同的试样。对试样进行相同的超声滚压和后续的热处理,得到了大致相同的表面梯度结构,不同的是表面晶粒和心部晶粒的尺寸差。结果表明,梯度结构表层和心部晶粒尺寸差异越大,高温强度提高越显著。梯度结构具有较大的晶粒尺寸差异展现出显著的背应力强化和背应力硬化效应。

关键词：再结晶晶粒 δ相梯度结构高温拉伸性能背应力