TC20钛合金热变形行为及热处理工艺研究

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中文摘要：TC20钛合金因其具有高比强度、低弹性模量、良好的抗腐蚀性以及生物相容性等特点，在生物医用金属材料等领域得到广泛应用。本文利用Gleeble-3800型热/力模拟试验机对锻态TC20钛合金进行了等温恒应变速率热压缩实验，探究了TC20钛合金在变形温度为940~1030℃和应变速率为0.001~10s-1的热变形行为，同时计算了平均热变形激活能。结果表明：随着应变速率的增加或变形温度的降低，TC20钛合金的流动应力增大，其平均热变形激活能远大于α-Ti和β-Ti的自扩散激活能。基于热压缩实验数据，计算了不同变形参数下的温升值大小，分析了变形热产生的规律。考虑应变对流动应力的影响，建立了TC20钛合金的应变补偿Arrhenius本构模型。误差分析表明，该模型具有较高的精度，相关系数r和平均绝对相对误差(AARE)分别为0.9879和4.11%。本文基于Prasad失稳判据的动态材料模型(DMM)和极性交互模型(PRM)分别构建了TC20钛合金在应变为0.3、0.6、0.9和0.92时的两种加工图。通过对比分析这两种加工图以及微观组织观察，发现这两种加工图对TC20钛合金稳定区域的预测基本一致，且DMM加工图对TC20钛合金失稳区域的预测更为准确。结果表明：基于Prasad失稳判据的DMM加工图，TC20钛合金的失稳区域主要发生局部流动，其范围为变形温度940~990℃、应变速率0.1~10s-1和变形温度1027~1030℃、应变速率4.2~10s-1。TC20钛合金适宜的锻造工艺参数范围为：变形温度960~995℃、应变速率0.01~0.18s-1和变形温度1000~1030℃、应变速率0.001~0.01s-1，这些稳定区域的主要变形机制为超塑性和动态再结晶。本文对TC20钛合金进行了不同的固溶时效处理，通过室温拉伸试验与平面应变断裂韧性试验，结合光学显微镜、扫描电镜和显微维氏硬度计等测试方法，分析了不同的固溶时效处理工艺参数对TC20钛合金微观组织、力学性能和断口形貌的影响。结果表明：当固溶温度一定时，随着时效温度的升高，合金的强度和硬度提高，但塑性和韧性下降。当固溶时效工艺为950℃/0.5h(水淬，WQ)+500℃/4h(空冷，AC)时，合金可实现最佳的强度和韧性匹配，其抗拉强度为1106MPa，屈服强度为1019MPa，断裂韧性高达87.6MPa?m1/2。未经固溶时效处理的锻态TC20钛合金拉伸和紧凑拉伸(CT)试样，其断口呈现典型的韧性断裂形貌特征，而经不同固溶时效处理的试样断口主要以准解理断裂和解理断裂为主。随着时效温度的升高，拉伸试样断口表面逐渐出现二次裂纹和空洞，塑性逐渐降低，CT试样的韧窝尺寸逐渐变小变浅，断裂韧性逐渐降低。

作者：

钟明君

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关键词：

TC20钛合金热变形行为本构模型加工图微观组织力学性能

授予学位：

硕士

学科专业：

材料加工工程

导师：

王克鲁

学位年度：

2021

学位授予单位：

南昌航空大学

语种：

中文

中图分类号：