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TiB_2/Al复合材料喷丸强化及其表征研究

作　者: 栾卫志
导　师: 姜传海
学　校: 上海交通大学
专　业: 材料学
关键词: TiB2/Al复合材料喷丸强化残余应力组织结构强化机制 X射线衍射
分类号: TG668
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

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TiB₂/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TiB₂/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TiB₂/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TiB₂/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。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-10
目录  10-13
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
致谢  152

TiB_2/Al复合材料喷丸强化及其表征研究

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