TiB_2/Al复合材料喷丸强化及其表征研究--《上海交通大学》2009年博士论文
TiB_2/Al复合材料喷丸强化及其表征研究
【摘要】：
金属基复合材料具有许多优异的性能,应用前景广阔。喷丸处理是金属材料重要的表面强化手段,可以显著提高材料的表面性能。为充分挖掘复合材料的性能潜力,本文对TiB_2/Al复合材料喷丸工艺加以改进,研究了喷丸对残余应力和形变组织结构的影响,以及残余应力松弛和组织结构回复与再结晶行为,表征了喷丸表面力学性能,并探讨了金属基复合材料喷丸强化机理。
喷丸工艺试验表明,随层深增加,喷丸残余压应力先增大到最大值,然后逐渐降低,并最终在内部出现低水平的残余拉应力。在0.15 mmA喷丸强度下,复合材料喷丸表面残余压应力为-123 MPa,最大残余压应力及其对应层深分别为-175 MPa和60μm,残余压应力总体层深290μm。而应力喷丸、改进的变温热喷丸和复合喷丸均在不同程度上进一步优化了TiB_2/Al喷丸残余压应力场和组织结构。复合喷丸结合了变温热喷丸影响层较深和应力喷丸残余应力较大的优点,强化效果最明显。
研究了外载荷条件下和高温环境中TiB_2/Al喷丸残余应力的松弛行为,证实外载荷越大,加热温度越高,残余应力松弛越明显。在循环载荷下,加载方向残余应力和应力循环周次呈对数关系。高温状态下,喷丸残余应力随温度和时间的变化符合Zener-Wert-Avrami规律,其松弛激活能为158.2 kJ/mol,松弛指数为0.2363,高温下复合材料喷丸残余应力松弛是一个蠕变的过程。
对喷丸过程进行数值模拟发现,复合材料喷丸残余应力沿层深分布的理论计算与实测结果具有相似的变化规律,表面附近基体中存在高水平的残余压应力,且分布不均匀,增强体周围基体的残余压应力较高。
分析了复合材料的X射线衍射线形,结果表明由于增强体的存在,基体中的显微畸变增大,从而改变了衍射物理线形的Gaussian和Lorentzian分量比例。改进XRD线形分析方法,基于物理衍射线形的Gaussian和Lorentzian分量比例,引入幂指数ωi,即指数Modified Williamson-Hall plot方法,与Modified Warren-Averbach方法相结合,得到喷丸层晶块尺寸对数正态分布密度函数,能够客观的表征复合材料喷丸组织结构。对增强体衍射线形研究发现,喷丸后增强体尺寸没有明显变化,显微畸变则略有提高。
利用XRD线形分析方法,研究了复合材料中基体的喷丸组织结构,包括晶块尺寸、显微畸变和位错密度等。结果表明,喷丸形变层内基体晶块明显细化,显微畸变和位错密度明显增高,且原始织构基本被消除。随层深的增加,晶块尺寸逐渐增大,显微畸变和位错密度逐渐降低。高温下喷丸组织发生回复与再结晶行为,与基体合金相比,复合材料中基体的晶块长大速度较慢,而退火初期其显微畸变降低速度则较快。复合材料及其基体合金的晶界迁移激活能分别为240和220 kJ/mol,显微畸变松弛激活能分别为217和211 kJ/mol,细小增强体对晶界和亚晶界的强烈钉扎作用,导致喷丸复合材料再结晶激活能比基体合金高。
表征了TiB_2/Al喷丸形变层的力学性能,表明喷丸后复合材料硬度和屈服强度明显提高。在0.15 mmA喷丸强度下,复合材料表面显微硬度提高了81%以上。而在0.23 mmA喷丸强度下,表层复合材料中基体的条件屈服强度提高了27%,复合材料喷丸表面屈服强度则提高了21%,喷丸前后基体的承载系数基本不变,从而大幅度提高了复合材料喷丸层的强度。
金属基复合材料的喷丸强化机制包括残余应力强化和形变组织结构强化。喷丸强化作用主要发生在基体中,残余应力强化在于,喷丸在表层复合材料的基体中产生高水平残余压应力。形变组织结构强化在于,喷丸改善了形变层内基体的组织结构,提高了其力学性能。增强体在两类强化效应中起着重要的作用,能够有效降低残余应力的外载松弛量,并优化基体的喷丸组织结构。
【关键词】：
【学位授予单位】：上海交通大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2009【分类号】：TG668【目录】：
ABSTRACT7-10
第1章 绪论13-44
1.1 金属基复合材料概要13-16
1.2 喷丸强化发展现状16-22
1.2.1 喷丸发展历史16-17
1.2.2 喷丸工艺17-18
1.2.3 喷丸强化机制18-20
1.2.4 喷丸处理对材料性能的影响20-22
1.3 喷丸残余应力22-24
1.3.1 喷丸残余应力场特征22-23
1.3.2 残余应力的测定原理与方法23-24
1.4 喷丸组织结构24-35
1.4.1 喷丸组织结构特征24-26
1.4.2 X 射线衍射线形26-28
1.4.3 线形分析原理与方法28-35
1.5 选题意义及研究内容35-36
参考文献36-44
第2章 材料及实验方法44-52
2.1 实验材料44-45
2.2 实验方法45-51
2.2.1 喷丸处理46-47
2.2.2 表面形貌观察47
2.2.3 残余应力测定47
2.2.4 X 射线衍射及线形分析47-48
2.2.5 织构测量48
2.2.6 显微硬度测量48
2.2.7 表面力学性能表征48-50
2.2.8 残余应力松弛试验50
2.2.9 喷丸组织结构的回复与再结晶研究50-51
参考文献51-52
第3章 TiB_2/Al 复合材料喷丸残余应力52-76
3.1 喷丸工艺对TiB_2/Al 残余应力的影响52-59
3.1.1 喷丸残余应力场及其特征53-54
3.1.2 变温热喷丸及其残余应力场54-56
3.1.3 应力喷丸及其残余应力场56-57
3.1.4 复合喷丸及其残余应力场57-59
3.2 TiB_2/Al 喷丸残余应力的松弛行为59-66
3.2.1 喷丸残余应力在外载荷条件下的松弛59-63
3.2.2 喷丸残余应力在高温环境下的松弛63-66
3.3 TiB_2/Al 喷丸残余应力的数值模拟66-70
3.3.1 均质材料模型66-68
3.3.2 非均质材料模型68-70
3.4 本章小结70-72
参考文献72-76
第4章 TiB_2/Al喷丸形变层的XRD线形分析76-105
4.1 TiB_2/Al 衍射线形76-85
4.1.1 Pearson Ⅶ型函数拟合实测线形77-80
4.1.2 Pesudo-Voigt 函数拟合实测线形80-82
4.1.3 TiB_2/Al 物理线形82-85
4.2 TiB_2/Al 喷丸组织结构的XRD 线形分析85-100
4.2.1 几种典型线形分析结果86-93
4.2.2 指数Williamson-Hall Plot 方法93-96
4.2.3 TiB_2/Al 晶块尺寸分布96-99
4.2.4 复合材料中TiB_2 的衍射线形99-100
4.3 TiB_2/Al 喷丸层线形分析策略100-101
4.4 本章小结101-102
参考文献102-105
第5章 TiB_2/Al 复合材料喷丸组织结构105-131
5.1 喷丸工艺对TiB_2/Al 表层组织结构的影响105-112
5.1.1 TiB_2/Al 喷丸组织结构特征106
5.1.2 变温热喷丸TiB_2/Al 组织结构106-110
5.1.3 应力喷丸TiB_2/Al 组织结构110-111
5.1.4 复合喷丸TiB_2/Al 组织结构111-112
5.2 TiB_2/Al 喷丸形变组织的回复与再结晶行为112-121
5.2.1 连续加热过程中的回复与再结晶112-115
5.2.2 等温加热过程中的回复与再结晶115-121
5.3 喷丸处理对TiB_2/Al 原始织构的影响121-126
5.4 本章小结126-128
参考文献128-131
第6章 TiB_2/Al 喷丸层力学性能及其强化机制131-147
6.1 TiB_2/Al 喷丸层力学性能132-138
6.1.1 喷丸层显微硬度及其分布132-133
6.1.2 喷丸表面屈服强度133-138
6.2 TiB_2/Al 喷丸强化机制138-144
6.2.1 残余应力强化138-141
6.2.2 形变组织结构强化141-144
6.3 本章小结144-145
参考文献145-147
第7章 结论与创新147-150
本文主要结论147-149
本文主要创新149
有待进一步开展的工作149-150
攻读博士学位期间发表论文及申请专利150-152
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