TC11钛合金塑性加工裂纹形成及其机理的研究

论文摘要

断裂现象是金属成形过程中最常见的缺陷之一,通过宏微观相结合的实验手段对其进行定量观察研究与理论分析,能够为从物质内部结构、缺陷和应力应变分布来预测和控制材料变形过程中的破坏缺陷提供一定的实验依据和理论基础。本文应用高温压缩实验研究了TC11钛合金细晶组织和魏氏体组织的表面高温开裂过程,并结合透射电镜(TEM)原位拉伸、扫描电镜(SEM)原位拉伸对其塑性变形、裂纹萌生与扩展的动态过程进行了原位观察。在研究中,还应用了高分辨透射电镜(HRTEM)对裂纹尖端纳观区域进行原位分析。本文观察分析了TC11钛合金两种典型组织高温压缩表面裂纹的形成过程及断口形貌。不同组织结构的TC11钛合金,其高温断裂行为的微观机理不同。细晶组织以微孔聚集型断裂方式为主,魏氏体组织以片层间开裂和跨层断裂为主。高温下细晶组织塑性好于魏氏体组织的塑性。通过扫描电镜分析其断口及组织形貌,表明试样表面裂纹开裂路径宏观上与表面附加拉应力应变分布有关,微观上裂纹的萌生和扩展与相结构的分布有关。SEM原位拉伸研究表明,由于TC11钛合金常温组织结构与β相转变线下高温组织结构类似,其裂纹萌生与扩展机理有相同之处。细晶组织裂纹扩展以连接组织内微小孔洞为主,微小孔洞和微裂纹优先选择在相界面处萌生,断口韧窝形貌细密均匀;魏氏体组织裂纹扩展以片层间开裂及连接跨层断裂形成的微小孔洞为主,断口以剪切滑移面与粗大韧窝交叉分布为主。本文还通过TEM原位拉伸系统观察和分析了组织形貌对裂纹萌生与扩展的影响。研究结果表明TC11钛合金裂纹优先选择在β相或相界面处萌生扩展。当裂纹受到细晶组织中粗大α相或魏氏体中α相片层阻挡时,裂尖向前方的α相片层发射环形位错群。位错群塞积位置不同将影响到裂纹的扩展路径发生改变。HRTEM观察发现,裂纹萌生后,裂纹尖端区域的原子排布受到破坏由长程有序转变为短程有序,这一发现为裂纹尖端无位错区的形成机理提供了一定的实验依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题意义
• 1.2 断裂行为研究现状
• 1.2.1 高温断裂行为研究
• 1.2.2 微观断裂行为的研究现状
• 1.2.3 SEM 原位拉伸试验研究
• 1.2.4 TEM 原位拉伸试验研究
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第2章 材料及试验方法
• 2.1 引言
• 2.2 试验材料
• 2.3 试验方法
• 2.3.1 高温压缩试验
• 2.3.2 SEM 原位拉伸试验
• 2.3.3 TEM 原位拉伸试验
• 2.3.4 HRTEM 观察方法
• 2.4 本章小结
• 第3章 TC11 合金宏观高温断裂行为研究
• 3.1 引言
• 3.2 TC11 合金高温正挤压试验
• 3.3 TC11 合金高温压缩的应力—应变行为
• 3.4 TC11 合金高温压缩的断裂行为
• 3.5 TC11 合金高温压缩裂纹组织分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 TC11 合金断裂行为的SEM 原位观察
• 4.1 引言
• 4.2 TC11 合金细晶组织SEM 原位拉伸
• 4.3 TC11 合金魏氏体组织SEM 原位拉伸
• 4.4 TC11 合金SEM 动态拉伸断口分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 TC11 合金裂纹萌生与扩展的TEM 原位观察
• 5.1 引言
• 5.2 TC11 合金细晶组织TEM 原位拉伸
• 5.3 TC11 合金魏氏体组织TEM 原位拉伸
• 5.4 TC11 合金HRTEM 原位观察
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢