【導(dǎo)讀】指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注。和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，了明確的說明并表示了謝意。的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分或全部內(nèi)容。重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位論文的。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。本課題旨在針對鈦合金開展m值與超塑性之間關(guān)系的研究。m值與延伸率δ關(guān)系式的建立；[2]王高潮,曹春曉,董洪波,等.TC11合金最大m值超塑變形機理研究[J].航空學(xué)報,2020,30:357. 向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本課題在鈦合金的最大m值超塑性研。有繪制實時監(jiān)控曲線等功能。在試驗前首先利用TC11合金做高溫拉伸試驗設(shè)定m值為來

　　

【正文】 獲得了 ln 3 ? ??的真應(yīng)變 (按晶粒中心計算 )，但晶粒仍保持其等軸性。從初態(tài)圖 a到終態(tài)圖 c的過程中，包含著一系列由晶內(nèi)和晶界擴(kuò)散流動所控制的晶界滑動和晶界遷移過程。這個模型的擴(kuò)散渠道多，路程短，物質(zhì)的遷移量也少，因而在 ?相同時可以獲得更大的應(yīng)變速率。 南昌航空大學(xué)學(xué)士論文 12 圖 15 晶內(nèi) 晶界擴(kuò)散共同協(xié)調(diào)晶界滑動模型 這種模型認(rèn)為外加應(yīng)力 ? 所做的功主要是消耗在擴(kuò)散過程、界面反應(yīng)、晶界滑動和晶界面積變化四個不可逆的過程中。從圖 a到圖 b的過程中所需要的能量是由外加應(yīng)力所提供，這時就需要一個起始應(yīng)力 0? ，即應(yīng)力門檻值，只有當(dāng)外加應(yīng)力大于應(yīng)力門檻值時，整個過程才能被啟動。在從圖 b到圖 c的過程中，由于晶界總面積的減少，這時釋放出 的一部分晶界能被消耗掉了。因此在整個過程中的有效應(yīng)力 0e? ? ??? 。 2. 位錯運動協(xié)調(diào)的晶界滑動理論 該理論模型中較為著名的是 BallHutchison模型，是以圖 15所示的幾個晶粒作為一個組態(tài)來考慮。某些會起障礙作用的晶粒存在于滑動晶界的頂端，故應(yīng)力在該處造成集中，隨之會使位錯源在障礙晶粒的內(nèi)部產(chǎn)生。位錯源發(fā)射出的位錯在障礙晶粒內(nèi)開始運動并塞積在對側(cè)的晶界上，當(dāng)位錯塞積到一定程度后，這時新的位錯不能產(chǎn)生，晶界的滑動也會隨之停止。如果位錯塞積群中一些領(lǐng)先的位錯會 由于位錯的攀移作用沿晶界到達(dá)晶界相消點，這時塞積群中的反應(yīng)力可以得到一定程度的松弛，晶界又會由于位錯源再發(fā)射新的位錯而滑動一小段距離。在高溫下，位錯攀移是不斷進(jìn)行的，因而由這種機制所產(chǎn)生的晶界滑動也在不斷進(jìn)行。所以位錯沿晶界攀移至相消點的速度控制著此種晶界滑動機制所產(chǎn)生的應(yīng)變速率。 南昌航空大學(xué)學(xué)士論文 13 圖 16 位錯調(diào)節(jié)的晶界滑動 BallHutchison模型 關(guān)于高應(yīng)變速率超塑性的變形機制目前并無定論，據(jù)一些文獻(xiàn)中的報道較公認(rèn)的主要有三種機制： (l)液相調(diào)節(jié)晶界滑移機制：普遍認(rèn)為超塑變形的主要機制是晶界滑移 (GBS)，并且晶界滑移對總變形的貢獻(xiàn)與應(yīng)變速率敏感性指數(shù) m值有關(guān)， m值越大則晶界滑移對總變形的貢獻(xiàn)越大。在材料超塑性流變的晶界滑動過程中，在一些增強物周圍往往會產(chǎn)生應(yīng)力集中，如果固態(tài)界面上沒有微量液相，應(yīng)力集中就不能被釋放掉，延伸率也會由于界面上產(chǎn)生的過多的空洞而較小；如果材料超塑性流變的晶界滑動過程在一個含有適當(dāng)?shù)囊合嗟囊簯B(tài)或固態(tài)中，這時應(yīng)力集中就可以被擴(kuò)散流充分釋放并且不會形成過多的空洞，從而使應(yīng)變速率和延伸率都得到了提高；但是液相過多也會使晶界、界面間的結(jié)合力降低，延伸率也會由于晶粒間所產(chǎn)生的空洞而降低。 (2)微細(xì)晶粒伴隨動態(tài)再結(jié)晶機制：這種機制認(rèn)為一些經(jīng)過二次處理的超塑性材料在高的應(yīng)變速率下進(jìn)行超塑性加工時，會由于動態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶的發(fā)生產(chǎn)生微細(xì)晶粒，這些微細(xì)晶粒會促進(jìn)高應(yīng)變速率的超塑性變形。 (3)包含以上兩種的機制，此種機制是一種折中的理論，此理論認(rèn)為以上兩種機制其實不能獨立成立的。在高應(yīng)變速率超塑變形時，動態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象與適量的液相同時存在，兩者相輔相成共同促進(jìn)了超塑變形的行為 [27]。 鈦合金超塑性國內(nèi)外研究發(fā)展?fàn)顩r 回顧二十世紀(jì)二十年代至今，金屬超塑性發(fā)展是從觀察某些金屬超塑性現(xiàn)象開始，進(jìn)而到 研究其力學(xué)性能、變形機理，直到應(yīng)用研究。早在 1920年，德國科學(xué)家Rosenhain、 Haughton及 Bingham等人在研究 ZnCuAl系合金時，就發(fā)現(xiàn)了變形速率與金屬材料的塑性之間存在的重要關(guān)系，采用緩慢的速率進(jìn)行彎曲試驗可以獲得較大的變形而不斷裂。 1934年，英國人 [28]發(fā)現(xiàn)擠壓過的 PbSn(37%Pb)及BiSn(44%Sn)共晶合金作緩慢拉伸后，試棒的長度幾乎可以達(dá)到原始長度的 20倍，變成均勻的細(xì)絲而不會斷裂，這在當(dāng)時引起金屬學(xué)界巨大反響。但由于第二次世界大戰(zhàn)的影 響，此方面的研究被暫時擱置下來。直到 1945年，前蘇聯(lián)的 [27]在研究 ZnAl共析合金高溫拉伸實驗時，發(fā)現(xiàn) ZnAl系合金可具有異常高的延伸率，并應(yīng)用了“超塑性”這個詞匯，提出了超塑性產(chǎn)生機理的各種假說。1962年，美國人 [28]發(fā)表了一篇總結(jié)性文章，總結(jié)了實現(xiàn)超塑性的可能性、產(chǎn)生條件及基本原理。從此引起人們對超塑性越來越多的重視。 1964年，美國麻省理工學(xué)院 [17][29]對超塑性力學(xué)進(jìn)行了系統(tǒng)分 析研究，作出了很大的南昌航空大學(xué)學(xué)士論文 14 貢獻(xiàn)。他引入了與變形應(yīng)力有關(guān)的應(yīng)變速率敏感性指數(shù) m值，并提出了用應(yīng)變速率改變法測 m值的方法，對超塑性的研究工作起了相當(dāng)大的推動作用。這種方法目前仍為世界各國的學(xué)者所廣泛應(yīng)用。 自 60年代以后，超塑性的研究在進(jìn)行理論研究的同時，逐漸進(jìn)入應(yīng)用階段。有關(guān)超塑性的研究成果不斷發(fā)表，目前超塑性金屬及合金已發(fā)展到 200種以上，同時超塑成形技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用也日益成熟和廣泛。 1968年英國 Leyland汽車公司和 Rio Tinto鋅公司已經(jīng)發(fā)展了一種商業(yè)上叫做 Prestal的超塑性鋅鋁合金，并利用通常成 形塑料的工藝制成汽車車身外殼而轟動一時。到了 70年代初，洛克威爾國際航空公司科學(xué)中心的 、 [30]利用超塑成形技術(shù)成形了新型的形狀復(fù)雜的 F15戰(zhàn)斗機鈦合金整體骨架結(jié)構(gòu)，這一技術(shù)的發(fā)明不但大幅度降低了飛機的制造成本，并且使成形效率也得到了顯著的提高。美國航空與航天工業(yè)的幾個發(fā)展計劃表明，超塑性成形與擴(kuò)散工藝的結(jié)合，能制造出復(fù)雜的鈦合金零件，使鈦合金超塑性成形在大量的飛機結(jié)構(gòu)上得到了廣泛應(yīng)用。 近年來，鈦合金超塑性成形技術(shù)得到了較快發(fā)展， 國內(nèi)外 的專家學(xué)者對 鈦合金的超塑性成 形技術(shù)方面進(jìn)行了大量研究。 在國外， Brown[27]研究了 TC4合金在超塑性成形過程中的組織演變， Zelin和 Jamjian等 [3132]對鈦合金超塑性成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究， Zhang等 [34]研究了含氫量對 β 鈦合金超塑變形能力的影響， Leeds大學(xué)的Hammond[3334]采用 SRC(應(yīng)變速率循環(huán) )法對 。國內(nèi)鈦合金超塑性研究較一些先進(jìn)發(fā)達(dá)國家而言，起步相對較晚，然而在超塑性研究與應(yīng)用方面的進(jìn)展比較快。國內(nèi)很多高校和研究院對超塑性研究較為重視，像中科院 、西北工業(yè)大學(xué)、北京科技大學(xué)、南昌航空大學(xué)在這方面也都取得了較大的成就。北京科技大學(xué)張宗堯、任學(xué)平和北京航空制造工程研究所王耀奇、李曉華、李紅等人研究了保溫時間對置氫鈦合金超塑性變形組織的影響規(guī)律，指出置氫的 TC4合金超塑性變形最佳工藝參數(shù)為：金屬變形溫度 840℃ ，保溫時間 25分鐘、應(yīng)變速率 103s1，氫含量%。同時指出只有當(dāng) TC4合金的氫含量合適才能提高其超塑性，合適的保溫時間可以使 TC4鈦合金組織發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶并得以細(xì)化，有利于超塑性變形，反之有礙 [35]。西北工業(yè)大學(xué)的熊愛明、李淼泉等人通過 高溫拉伸力學(xué)實驗研究了 TC6鈦合金在高溫下的流動特性，并利用掃描電鏡觀察了拉伸斷口形貌，分析了該合金的拉伸斷裂機制[36]。南昌航空大學(xué)王高潮等人在最大 m值超塑性研究方面取得了很大成就，采用最大 m值法對 TC11合金進(jìn)行了超塑性拉伸試驗，獲得了 2300%的延伸率，創(chuàng)造了國內(nèi)超塑性研究的先進(jìn)水平，另外王高潮教授在 Ti6Al4V鈦合金最大 m值超塑性變形論文中就提南昌航空大學(xué)學(xué)士論文 15 到，超塑性變形過程，應(yīng)變速率敏感性指數(shù) m是一個關(guān)鍵參數(shù)，代表與量化的超塑性水平，且正式提出了最大 m值法這個概念 [3738]。由于超塑性鈦合金的獨特性 能，使得超塑性鈦合金研究在當(dāng)前獨樹一幟， 從鈦合金超塑性技術(shù)未來發(fā)展來看， 鈦合金超塑性技術(shù)目前仍主要應(yīng)用于航空航天等高端工業(yè)領(lǐng)域，但在其他領(lǐng)域的開發(fā)和應(yīng)用是必然趨勢。歸納未來鈦合金超塑性技術(shù)發(fā)展方向主要有這幾個方面： 1）先進(jìn)鈦合金材料超塑性的開發(fā)。 主要是指鈦鋁金屬間化合物、金屬基復(fù)合材料等材料的超塑性開發(fā)。這些材料具有若干優(yōu)異的性能，因此在航空航天領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，然而這些材料一般加工性較差，開發(fā)這些材料的超塑性對于其實際應(yīng)用具有重要現(xiàn)實意義。 2）高應(yīng)變速率超塑性成形技術(shù)。 日本 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會把應(yīng)變速率高于 102 s1的超塑變形行為定義為高應(yīng)變速率超塑性變形。同傳統(tǒng)超塑性變形相比，高應(yīng)變速率超埋性變形技術(shù)可大大提高構(gòu)件的生產(chǎn)率，該技術(shù)在民用工業(yè)具有廣闊的市場應(yīng)用前景。 3) 超塑性成形規(guī)律的深入研究。 隨著計算機仿真模擬技術(shù)在材料加工領(lǐng)域的引入和成熟應(yīng)用，使得在研究變形過程等方面變得更加可視化、數(shù)據(jù)化?？赏ㄟ^仿真模擬和試驗研究結(jié)合來進(jìn)一步研究鈦合金材料的超塑性變形規(guī)律、變形機理，探索降低鈦合金超塑變形的苛刻條件，提高成型件的質(zhì)量。 研究內(nèi)容 1. 制備超塑性拉伸試樣， 根據(jù)研究需要制備 TC6不同微觀組織的鈦合金試樣，并分析試樣的的原始微觀組織； 2. 鈦合金設(shè)定 m值超塑性方法的研究并證明這理論的可行性； 3. 設(shè)計超塑性實驗控制程序，采用 Visual Basic m值的超塑性方法的應(yīng)用程序及用戶界面； 4. 超塑性拉伸試驗，在最大 m值法程序的基礎(chǔ)上 ,編寫設(shè)定 m值法的程序并利用設(shè)定 m值法對 TC6試樣進(jìn)行高溫拉伸試驗； 5. 在 基于 m值的高效超塑變形方法基礎(chǔ)上 ,將 m值設(shè)為某一個常數(shù) ,就可以分別在高速區(qū)或低速區(qū)進(jìn)行超塑性變形的拉伸試驗 ,獲取與之對應(yīng)的塑性 指標(biāo)：延伸率δ，從而可以研究 m值與超塑性之間的關(guān)系即 m值與延伸率δ關(guān)系 。 6. 磨試樣觀察 TC6鈦合金變形前后的組織形貌觀察。 南昌航空大學(xué)學(xué)士論文 16 2 試驗材料與試驗方法 引言 α+β 型鈦合金具有其它合金很少具有的優(yōu)點，因為它能在較寬的溫度范圍內(nèi)存在 α 和 β 兩個相，在超塑性變形的過程中，兩相能夠互相抑制晶粒的長大，保證變形過程中組織的穩(wěn)定，而且變形晶粒還會明顯的等軸化，從而提供了良好的超塑性條件。因此，不論拉伸前試樣的顯微組織如何， α+β 型鈦合金用于超塑性拉伸試驗都可獲得不同程度的超塑性 [39]。 目前，國內(nèi)外對鈦合 金超塑性方面做了大量研究，在超塑性拉伸試驗方法上常用的有恒應(yīng)變速率法、應(yīng)變速率循環(huán)法、最大 m值法等，然而為了滿足不同研究的需要，在現(xiàn)有的理論基礎(chǔ)上，提出新的超塑性研究方法是十分必要和具有現(xiàn)實意義的。 在本節(jié)中，首先對用于超塑性拉伸試驗的材料和設(shè)備作了介紹，然后提出了鈦合金設(shè)定 m 值超塑性成形理論和方法，最后對具體的實驗方案做了說明。 試驗材料 本課題選用 TC6 鈦合金作為實驗材料。 TC6 鈦合金是一種綜合性能良好的馬氏體型 α+β 兩相鈦合金，其名義成分為 ，含有 α穩(wěn)定元素 Al、同晶型 β 穩(wěn)定元素 Mo和共析型 β 穩(wěn)定元素 Cr、 Fe和 Si， β 穩(wěn)定系數(shù) ?? ，相變點在 950℃ ~990℃ 之間。該合金的使用狀態(tài)一般為退火狀態(tài)，也可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)膹娀療崽幚怼?TC6 鈦合金具有較高的室溫強度，而且在 450℃以下有良好的熱強性能。該合金還具有優(yōu)良的熱加工工藝性能，變形抗力小，塑性高；可以進(jìn)行焊接和各種方式的機械加工 [40]。 TC6 鈦合金主要用來制造航空發(fā)動機的壓氣機盤和葉片等零件，能在 400℃以下長時間工作 6000h 以上和在 450℃工作 2020h 以下。該合金還可作為中強度合金用來制造飛機的隔框、接頭等承力結(jié)構(gòu)件及不同用途的緊固件。生產(chǎn)的半成品主要有棒材、鍛件及模鍛件等。 拉伸試樣制備 本試樣使用的是 TC6，下面是鍛造工藝表 表 南昌航空大學(xué)學(xué)士論文 17 工序 工序內(nèi)容 設(shè)備 規(guī)范 1 檢查材料 檢查材料牌號及爐批號 2 下料 線切割 扇形料 3 倒園角 砂輪機 （扇形料四角） 4 加熱 電爐 爐溫 970℃，到溫后保溫40min 5 自由鍛 400Kg 空 氣錘 始鍛 970℃，終鍛 850℃ 6 清理缺陷 7 重復(fù)工序 4～ 6 8 熱處理 AC 附注：毛料預(yù)熱（ 250～ 350℃） , 600℃裝爐 第一次加熱 / min，保溫 40min, 趁熱加熱 2mm / min。 此工藝的關(guān)鍵工序也是工序 4～工序 7，同樣本工藝鍛造過程中的一些主要工步如下： 坯料體積： 684000mm2 鍛件尺寸：Φ 14 555 (1) 鍛方： 88 88 88 (2) 拔長： 32 32 668 (3) 切斷： 32 32 334 （ 2 根） (4) 拔長： 23 23 646 (5) 切斷： 23 23 323 （ 4 根） (6) 拔長： 1094 (7) 切斷： 547（ 8 根） 南昌航空大學(xué)學(xué)士論文 18 (8) 倒圓：Φ 14隨料（ 555） 圖 21 試驗試樣平面圖 圖 22 試驗試樣三維圖 圖 23為試驗中 TC6的原始試樣顯微組織 ： 圖 23 TC6原始試樣的顯微組織 從圖中可知 試樣 TC6原始坯料的顯微組織為條狀及等軸的初生 α 相和 β 相，從圖中可知 α 相在試樣組織中占有一定的比例，并且大部分 α 相的尺寸為 5～ 10μ m，晶粒細(xì)小， 且分布比較均勻，說明該原始試樣有著較好的顯微組織，這對提高該合金的超塑性能有著十分積極的意義。因為在