钛及钛合金中绝热剪切带微观结构演化及其集体行为研究

论文摘要

本文在国家自然科学基金（绝热剪切形变过程晶粒瞬间细化的微观机制，编号50471059）和教育部博士点基金（绝热剪切形变中的微观结构演化机制，编号20020533015）的资助下，开展的主要工作如下：首次采用SEM／EBSD技术测定了绝热剪切变形后绝热剪切带（ASB）内的微观织构、并借助TEM直接研究了ASB内的微观结构。结果表明，剪切带内形成了高度伸长的亚晶和低位错密度的细小等轴晶，并形成了再结晶织构；剪切带内的晶界是大角度的几何相关晶界。采用有限元方法获得了设定边界条件下ASB内的有效应变和温度的分布，结果表明，ASB内的温度为889.1953.9K（0.48Tm）。结合对微观结构和微观织构的观测，并耦合数值模拟结果，构建了亚晶定向旋转动态再结晶模型，同时进行了再结晶动力学验算。ASB的微观结构演化过程为：在变形阶段剪切带中形成拉长的位错胞结构和亚晶、拉长亚晶破碎形成细小的亚晶单元、亚晶界旋转最终形成细小的再结晶晶粒；在上述变形阶段伴随有不稳定的剪切织构通过定向形核产生再结晶织构的过程；在冷却阶段ASB内的细小等轴晶不会发生明显地长大。利用分离式霍普金生压杆（SHPB）技术对新型钛合金TC16的帽形试样进行了动态加载。选用Johnson-Cook本构方程描述了TC16合金的动态本构行为，并利用非线性最小二乘法获取了其相关参数，从而获得了TC16合金的动态本构方程。采用OM、显微硬度、SEM和TEM等技术观测了TC16中ASB内的微观结构和相变情况。将动态响应数据与绝热温升的计算公式相结合，描述了ASB形成过程中的热／力演变历程。从而阐释了TC16中ASB内的相变规律和微观结构演化过程。首次量化分析了TA2／Q235爆炸复合板界面TA2侧大量ASBs的集体行为。由界面萌生的ASBs的长度、间距和轨迹具有周期性和有组织的特征。构建了预测和定量描述爆炸复合板界面ASBs的平均间距和轨迹的模型。结合轨迹模型与间距模型，构建了爆炸复合界面ASBs的分布函数。基于轨迹模型，获得了一个简单地计算爆炸复合界面ASB扩展速率的方法。并讨论了外加载荷条件和材料参数对于剪切带间距、轨迹、分布以及扩展速率的影响。利用金属管压爆组合实验装置研究了TA2管在外爆压缩条件下的ASBs。实验结果表明，ASBs由管的内壁萌生，裂纹沿着剪切带扩展。剪切带尖端的生长通常沿着最大剪切应力方向。在TA2管横截面上，大多数ASBs为逆时针螺旋状分布。同时也观察到了一些特殊的剪切带形貌，比如分叉、汇集、交叉和“N”形等。充分生长的剪切带内易于发生微孔洞的形核、长大与合并。阐述了外爆加载条件下TA2管中ASBs的形成过程以及其内微孔洞的演化过程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 ASB的特征与分类
• 1.3 再结晶的研究与进展
• 1.3.1 再结晶的特点
• 1.3.2 经典再结晶机制简介
• 1.3.3 动态再结晶机制的研究现状
• 1.4 ASBs集体行为研究进展
• 1.4.1 大量剪切带的间距研究
• 1.4.2 剪切带轨迹形貌的研究
• 1.4.3 金属管绝热剪切破坏研究
• 1.5 本论文的研究内容和研究意义
• 第二章 实验材料及方法
• 2.1 实验工艺流程
• 2.2 实验材料
• 2.2.1 TA2和Q235
• 2.2.2 TC16
• 2.3 TA2/Q235爆炸复合板的制备
• 2.4 TC16的准静态和动态加载实验
• 2.4.1 准静态实验
• 2.4.2 动态加载实验
• 2.5 TA2管压爆组合实验
• 2.6 显微组织与结构观察
• 2.6.1 金相与显微硬度
• 2.6.2 扫描电子显微镜
• 2.6.3 透射电子显微镜
• 2.7 微观织构的测试
• 第三章 TA2中绝热剪切带微观结构的演化
• 3.1 TA2中ASB的微观组织结构
• 3.2 TA2中ASB的微观织构
• 3.2.1 取向分布函数
• 3.2.2 取向差分布函数
• 3.3 ASB内热/力参数演变的数值模拟
• 3.4 ASB内微观结构演化
• 3.4.1 亚晶定向旋转动态再结晶
• 3.4.2 动力学模型
• 3.5 本章小结
• 第四章 TC16中绝热剪切带微观结构的演化
• 4.1 TC16合金本构方程的确立与获取
• 4.1.1 应力-应变曲线
• 4.1.2 本构方程的确立与参数获取
• 4.2 帽形试样动态加载
• 4.3 ASB微观组织结构
• 4.3.1 金相观察
• 4.3.2 显微硬度测试
• 4.3.3 SEM观察
• 4.3.4 TEM观察
• 4.4 绝热温升的计算
• 4.5 TC16合金中ASB微观结构的演化
• 4.6 本章小结
• 第五章 TA2/Q235爆炸复合板界面TA2侧大量绝热剪切带的集体行为
• 5.1 多条ASBs的实验结果与量化分析
• 5.2 大量ASBs间距模型的理论分析与构建
• 5.2.1 间距模型的理论分析
• 5.2.2 多条ASBs的间距模型
• 5.2.3 间距模型的讨论
• 5.3 ASBs的轨迹与分布模型构建与讨论
• 5.3.1 轨迹与分布模型
• 5.3.2 材料参数的影响
• 5.4 ASB的动态扩展
• 5.5 本章小结
• 第六章 外爆压缩条件下TA2管中绝热剪切破坏的研究
• 6.1 TA2管中的微观结构
• 6.2 TA2管中ASBs的形成
• 6.3 ASB内微孔洞的演化
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结
• 参考文献
• 附录1
• 附录2
• 附录3
• 附录4
• 附录5
• 附录6
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果