氢致纯钛弹塑性变形机制研究

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考虑到氢原子的原子半径特别小，只要外界的条件有所变化，氢原子在金属体系中通常处于不稳定的状态。考虑到钛合金的储氢能力比较大，氢原子存在的方式和形态就出现多样化。另外，涉及到氢原子和钛原子中位错，缺陷等作用就更为复杂。很多国内外学者尝试对钛氢体系中的氢原子微观作用做系统性的研究，但是由于实验所得的结果都存在着有争议的地方。总体而言，氢致塑性的微观理论还不是特别完善，进而对热氢处理技术的发展也是有所限制。
　　本文主要是从三个方面来研究钛氢体系中氢与钛微观的作用机理。第一部分通过第一性原理对 Ti-H体系的基本物理量进行模拟。第二部分通过内耗和模量的测试揭示 Ti-H体系弹性和内耗机制。最后一部分主要研究氢在拉压变形中起的不同作用。
　　第一性原理模拟结果表明：氢原子在α相和β相中更倾向于占据八面体间隙，因为氢原子固溶于八面体间隙的溶解热的绝对值大于四面体间隙的溶解热。间隙氢原子溶入α-Ti造成体系的晶格畸变，程度与氢含量正相关，意味着氢在α-Ti中固溶度有限。晶体畸变进一步增大，晶体结构不稳，晶体结构有从 hcp向 bcc转化趋势，揭示了氢致相变。对于Ti-H电子结构的研究中，费米能级处新能带的出现原因是 H原子的1s轨道电子与最近邻的钛原子3p,3d和4s轨道电子作用。而对于α-Ti，H的加入使得集居合数和最邻近钛原子的电子密度下降，氢致α-Ti弱键。而对于β-Ti，H的加入使得集居合数和最邻近钛原子的电子密度增加，氢致β-Ti强键。同时，Ti-H体系中，体积模量与氢含量正相关，α-Ti中剪切和杨氏模量与氢含量负相关。β-Ti中剪切和杨氏模量与氢含量的增加正相关。氢对于<0001>晶向的α相的软化效果比较明显。
　　内耗实验显示在高温区晶界弛豫内耗峰Pb和再结晶内耗峰P0与氢含量的反相关，与预变形程度正相关。回复内耗峰与氢含量正相关恰好说明显示了氢抑制再结晶和氢促进回复。随着氢含量的增加，位错与点缺陷作用引起的内耗峰P1和氢与位错产生内耗峰P2越明显，从而揭示氢促进位错的运动。溶质原子与位错内耗峰 P4峰与氢含量负相关，说明氢含量升高，位错与溶质原子的钉扎作用减弱。氧原子引起的斯诺克内耗峰与氢含量成正比，说明氢致扩散。在α单相，β单相和α+β双相区弹性模量的测量，实验证实了氢致α-Ti弹性模量下降和氢致β-Ti弹性模量上升，并构建了数学模型。
　　对于氢致多晶塑性机制的探索，采取高温压缩和高温板材拉伸实验，通过对试样进行高温变形，研究不同置氢量对拉压屈服强度和稳态应力的变化，明确氢在拉压变形不同阶段起的不同作用。利用金相显微镜、扫描电镜和透射电镜等分析组织变化。在高温压缩过程中，稳态应力值和屈服强度随着置氢量的增加而下降，根据力学性能特征可以发现氢能促进位错运动，动态回复，抑制动态再结晶。而在实验中发现氢致α相向β相转变是氢致塑性的重要因素。在高温拉伸过程中，断裂应力值和屈服强度随着置氢量的增加而下降，但是拉伸延伸率不与氢含量正相关，对于高温拉伸变形存在最佳置氢量和温度,分别为0.09wt.％和923K。最后，造成拉伸压缩力学性能产生区别的因素在于压缩和拉伸过程中氢致局部软化作用产生了不同效果。另外，氢对各个晶体取向上的力学性能的取向是有区别的。氢对于<0001>晶向的α相的软化效果比较明显。

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作者
杨诚;
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作者单位

哈尔滨工业大学;

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授予单位哈尔滨工业大学;
学科材料加工工程
授予学位硕士
导师姓名单德彬;
年度 2015
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类压力加工设计与计算;
关键词
Ti-H体系; 弹塑性; 变形机制; 内耗机制;

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