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南京航空航天大学 硕士学位论文 TC4钛合金高温拉伸力学性能研究和组织演变 姓名：蔡云 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：童国权 20090101 南京航空航天大学硕士学位论文 I 摘 要 TC4 钛合金属于αβ+型钛合金，该合金比强度高，耐腐蚀性好，热稳定性好等优点，被 广泛应用于航空航天等工业中，此外在汽车工业、体育和医学等民用领域也有应用由于钛合 金的组织和性能对变形参数比较敏感，适合其加工的参数范围比较小，所以研究不同条件下的 变形参数，为 TC4 钛合金材料的热加工工艺和成形工艺提供了科学的依据 本文采用对 TC4 钛合金进行高温超塑性拉伸等实验的方法，系统地研究了 TC4 钛合金的超 塑性变形行为研究了不同工艺参数(变形速率、变形温度、变形量)下，拉伸变形的真实应力 —应变曲线的变化规律；分析了热变形参数对该合金高温塑性变形过程中流变应力和延伸率的 影响规律；讨论影响 m 值的因素总结出了 TC4 钛合金最佳超塑温度在 900℃附近，最佳变形 速率在 9.8E-4s-1附近，最大延伸率为 789%延伸率随温度的升高是先增加后减小，随应变速 率的增加是先增加后减小。

应力随温度增加而减小，随应变速率的增加而增加采用恒应变速 率法和速度突变法对 m 值进行求解，求得 TC4 钛合金的 m 值分别为 0.54 和 0.55，并且得到不 同变形温度下的本构关系 借助光学显微镜作为分析检测手段， 定性的探讨热变形参数对 TC4 钛合金微观组织和性能 的影响规律，对 TC4 钛合金微观组织结构演化、超塑性变形机制及断裂机制等进行了深入的研 究， 较系统地研究了变形参数对组织的影响规律 分析了 TC4 钛合金高温时变形温度、 变形量、 变形速率对组织的影响规律，随变形温度的升高，组织结构发生变化，α相体积分数减小，晶 粒尺寸长大应变速率较慢晶粒长大严重，随应变速率增加，变形过程中动态再结晶加剧，晶 粒出现细化，变形区晶粒长大不明显随变形量的增加，再结晶、晶粒粗化明显高温时 TC4 钛合金断口形貌对温度和应变速率十分敏感，高温低速时是典型韧性断裂 关键词关键词:TC4 钛合金，超塑性, 流变应力，超塑变形，微观组织，再结晶 TC4 钛合金高温拉伸力学性能研究和组织演变 II Abstract TC4 with high strength, high tenacity, good causticity and hot stability, is widely used in aeronautical and astronautical industry. It is a kind of αβ+ alloy. With the development of science and technology, TC4 has increasingly drown the attraction because of its excellent mechanical capability, corrosion resistance and biocompatibility, and the features close to elasticity modulus of human bone. Because the facts that the microstructure and performance of titanium is relatively sensitive to the processing parameters in hot deformation processes and that the optimal process parameters are in a relatively narrow range, the studying of plastic deformation behaviors and microstructure evolution during hot forming can provide scientific foundation and theoretic direction in determining the process parameters and controlling the service quality of work pieces. In this thesis, the tensile deformation behaviors of TC4 titanium alloy have been studied by tensile test at high temperature. The true stress-true strain curves of TC4 alloy of tensile test under different conditions (deformation temperature, strain rate) are discussed and the influences of processing parameters on flow stress and elongation during plastic deformation are studied. The optimal superplastic parameters of TC4 titanium alloy were obtained, in which optimal temperature is 900, optimal strain rate ℃ is 9.8×10-4 S-1 and maximum elongation is 789%.The elongation raise firstly increase with temperature improved ,and then decrease ,moreover the elongation raise firstly increase with strain rate improved ,and then decrease . flow stress decreased as well as temperature improved and improved as well as strain rate improved. Both constant strain rate and velocity jump test were carried out to measure the strain rate sensitivity m. The maximum m value is 0.54 and 0.55, and we obtained an elastic-viscoplastic constitutive modeling. With the aids of optical microscope(OM)，the microstructure evolution, the superplastic mechanical behavior are studied and fracture mechanism .Their influence on microstructure of tensile parameters (temperature, strain rate) has been discussed systemically. With increasing deformation temperature, the volume of α-phase decreases, and α grain size increases . With the increasing strain rate, recrystallization increases during deformation process. The superplastic tensile fracture surface of TC4 南京航空航天大学硕士学位论文 III titanium alloy are analyzed and the tensile fracture of the alloys occurred basically in a tenacious mode. The surface of TC4 titanium alloy is sensitive to the temperature and the velocity. Key word ： TC4 alloy，superplasticity, flow stress, hot deformation, microstructure, recrystallization TC4 钛合金高温拉伸力学性能研究和组织演变 VI 图、表清单 图 1.1 钛合金的典型应用1 图 1.2 晶粒在有坎的晶界上滑动的示意图5 图 1.3 Ashby-Verrall 晶粒换位机制示意图6 图 1.4 Ball-Hutchison 模型6 图 1.5 Mukherjee 模型.7 图 1.6 钛合金的典型显微组织10 图 2.1 原始组织14 图 2.2 高温拉伸标准试样几何尺寸14 图 2.3 拉伸实验装置图15 图 2.4 800℃不同应变速率下试样16 图 2.5 840℃不同应变速率下试样16 图 2.6 880℃不同应变速率下试样（a）16 图 2.7 880℃不同应变速率下试样(b).16 图 2.8 880℃不同应变速率下试样(c).17 图 2.9 900℃不同应变速率下试样（a）17 图 2.10 900℃不同应变速率下试样（b）17 图 2.11 900℃不同应变速率下试样（c）17 图 2.12 920℃不同应变速率下试样（a）18 图 2.13 920℃不同应变速率下试样（b）18 图 2.14 920℃不同应变速率下试样（c）18 图 2.15 800℃不同应变速率下19 图 2.16 800℃不同应变速率下19 图 2.17 840℃不同应变速率下20 图 2.18 840℃不同应变速率下20 图 2.19 880℃不同应变速率下20 图 2.20 880℃不同应变速率下20 图 2.21 900℃不同应变速率下20 图 2.22 900℃不同应变速率下20 图 2.23 920℃不同应变速率下20 南京航空航天大学硕士学位论文 VII 图 2.24 920℃不同应变速率下20 图 2.25 不同温度下应力σ和应变速率ε?曲线 .21 图 2.26 超塑性变形载荷与延伸率的关系曲线21 图 2.27 应变速率对峰值应力的影响23 图 2.28 温度对峰值应力的影响23 图 2.29 TC4 钛合金不同温度下延伸率δ和应变速率ε?的关系25 图 2.30 不同变形温度下 TC4 合金真实应力—应变曲线.26 图 2.31 不同温度下应变速率—延伸率关系27 图 2.32 载荷 P 和位移l∆曲线关系28 图 2.33 应力σ和应变ε曲线.28 图 2.34 拉伸后的实物图28 图 2.35 最佳应变速率下不同变形温度下的延伸率29 图 3.1 800℃下δ与应变速率ε?的曲线32 图 3.2 800℃下 m 与应变速率ε?的曲线.32 图 3.3 不同温度下δ与应变速率ε?的关系33 图 3.4 不同温度下 m 与应变速率ε?的关系.33 图 3.5 不同温度下δ与应变速率ε?的关系33 图 3.6 拉伸速度突变法载荷 P 与位移l?曲线36 图 3.7 920℃下的速度突变载荷 P 与位移l?关系图37 图 3.8 920℃δ与应变速率ε?的曲线37 图 3.9 920℃m 与应变速率ε?的曲线37 图 3.10 900℃下的速度突变载荷 P 与位移l?关系图 38 图 3.11 90。