表面纳米化对工业纯钛拉伸性能的影响

通过SMAT技术实现了工业纯钛表面纳米化,并利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜和高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)分析技术对表面纳米结构层进行了表征,对比研究了工业纯钛和经SMAT处理表面纳米化工业纯钛的拉伸性能,讨论了表面纳米化对工业纯钛拉伸性能的影响。结果表明:经SMAT处理后,由于表面纳米晶的形成和变形层中高密度的孪晶与位错共同的作用,工业纯钛的屈服强度、抗拉强度提高而伸长率降低。试样经SMAT处理后,沿处理面到中心晶粒尺寸不同,使得SMAT试样拉伸断裂后处理面与中心的断裂类型不同,表面纳米晶层和亚晶层的断裂主要是滑移分离断裂,而基体粗晶部分断裂为微孔聚集型断裂。     

热处理对表面纳米化工业纯锆疲劳性能影响研究

采用表面机械研磨处理(SMAT)对工业纯锆进行表面强化,使材料表面组织细化并引入残余压应力,通过热处理(HT)使表层残余压应力释放而纳米晶尺寸保持不变。利用光学显微镜(OM)和透射电子显微镜(TEM)对试样表层显微组织进行表征,利用X射线应力仪测试距试样表面不同深度处残余应力,通过四点弯曲疲劳实验对热处理前后试样疲劳性能进行测试,利用扫描电子显微镜(SEM)对疲劳断口形貌进行观察,探讨晶粒细化及残余压应力对疲劳性能的影响。结果表明：SMAT使工业纯锆表层形成150μm左右变形层且最表面晶粒细化至35 nm左右,并得到深度为334 μm最大应力为-695.5MPa的残余压应力层;热处理后SMAT处理工业纯锆表层残余压应力场深度减至115μm、最大压应力降为-148.8MPa,残余压应力场的变化对裂纹源位置及材料的疲劳极限影响明显。SMAT处理使工业纯锆疲劳极限较未处理试样提升23%;通过热处理使其表层残余压应力释放后,其疲劳极限较未SMAT处理试样疲劳极限提高13%。     

高能喷丸表面纳米化对工业纯钛疲劳性能的影响

用高能喷丸技术对工业纯钛进行了表面纳米化处理,分析了表层组织和表层硬度,并通过与普通喷丸的对比实验,研究了两种喷丸方法对工业纯钛疲劳性能的影响.结果得出,高能喷丸使表层组织明显细化,得到了无明显特征的强烈塑性变形组织,表层硬度明显提高.但高能喷丸并没有使疲劳强度大幅度提高,甚至低于传统喷丸.断口分析中发现,在高能喷丸疲劳断口裂纹源处,能看到由于喷丸不当造成的表面深坑和微裂纹等表面机械损伤,这可能是高能喷丸表面纳米化比传统喷丸没有表现出更高疲劳强度的原因.     

高能喷丸表面纳米化对工业纯钦组织性能的影响

用高能振动喷丸法对工业纯钛进行了表面纳米化的研究。用X—射线衍射、光镜和透射电镜对表层变形层金相组织、晶粒尺寸、显微硬度进行分析。结果表明，具有密排六方晶体结构的工业纯钛经高能喷丸处理后，在表面可以形成具有一定厚度的纳米晶粒组织；随着高能喷丸时间的增加，表面层的晶粒尺寸变小，而表面硬度提高。     

高能喷丸表面纳米化对工业纯钛组织性能的影响

用高能振动喷丸法对工业纯钛进行了表面纳米化的研究。用X 射线衍射、光镜和透射电镜对表层变形层金相组织、晶粒尺寸、显微硬度进行分析。结果表明 ,具有密排六方晶体结构的工业纯钛经高能喷丸处理后 ,在表面可以形成具有一定厚度的纳米晶粒组织 ;随着高能喷丸时间的增加 ,表面层的晶粒尺寸变小 ,而表面硬度提高。     

表面纳米化工业纯锆的显微组织与残余应力研究

对工业纯锆进行了不同时间的机械研磨处理(SMAT),利用透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射仪(XRD)对试样表层平均晶粒尺寸和平均微观畸变进行了分析表征,采用光学显微镜(OM)观察了试样的横截面显微组织,利用X射线应力仪测试了试样距表面不同深度的宏观残余应力。结果表明,SMAT处理可以实现工业纯锆的表面纳米化,并且在试样的最表层形成了厚约10μm的纳米结构。试样表面平均微观畸变随着SMAT处理时间的增加逐渐增大,处理时间为60 min时,平均微观畸变约为0.41%。试样表层的宏观残余应力为压应力,且表层残余压应力由表面到基体先增大而后减小。随着处理时间的增加,试样表面残余压应力σsrs先增大而后减小;最大残余压应力σmrs先增大而后趋于稳定,约为–620 MPa;最大残余压应力距表面的距离Zm和残余压应力场深度Z0均逐渐增大。     

工业纯钛焊接接头的表面纳米化及其性能

利用表面机械研磨法对工业纯钛焊接接头的表面进行处理，通过X射线衍射及透射电镜分析，表明经处理后的工业纯钛焊接接头表面晶粒尺寸达到了50nm左右，纳米化深度约30～40μm。显微硬度试验结果表明，经处理后样品表面的硬度有很大提高，焊缝和热影响区的硬度趋于一致。腐蚀试验证明工业纯钛焊接接头经表面纳米化处理，其耐盐酸腐蚀性能有所提高。     

退火对表面机械研磨处理纳米化工业纯钛性能的影响

通过表面机械研磨处理(SMAT)在工业纯钛表面制备出具有纳米晶体特征的表面层,并对其进行不同温度的退火,利用光镜、分层显微硬度测试和极化曲线测量等手段,分别研究了机械研磨处理对工业纯钛和不同退火温度对表面机械研磨处理纳米化工业纯钛性能的影响.结果表明,表面纳米化使工业纯钛在0.5 mol/L H2SO4溶液中的耐腐蚀性变差,而低温退火可改善SMAT处理工业纯钛在0.5mol/L H2SO4溶液中的耐腐蚀性能.工业纯钛经表面纳米化+低温退火处理,可以提高其表面的硬度和耐腐蚀性能.     

表面纳米化Zr的拉伸性能

利用表面机械研磨处理（SMAT）技术在Zr片状拉伸样品表面施加剧烈变形，获得超细/纳米晶粒组织的变形细化表层，其中Zr板厚度1mm，两侧变形层厚度均为100μm。拉伸实验结果表明，表层细化组织提高了屈服强度和抗拉强度，使加工硬化能力及伸长率下降。应变速率在10^-4～10^-3s^-1范围时，拉伸强度随应变速率的提高而提高；应变速率增大至10^-2s^-1量级时，抗拉慢度下降。扫描电镜观察显示出韧性韧窝状断裂特征.     

纯钛高能喷丸表面纳米化后粗糙度的分析

通过高能喷丸方法（HSP）使工业纯钛获得约60μm的表面纳米层，并通过表面形貌仪对喷丸后表面粗糙度进行了测量，结果表明，纯钛表面HSP处理后，表面粗糙度增大，喷丸10min时粗糙度达到最大值，继续喷丸粗糙度降低，喷丸60min时粗糙度趋于稳定。喷丸时间60min时表面粗糙度对其疲劳性能的影响最小，表面纳米化效果最佳。     

循环载荷下表面强化工业纯锆残余应力释放研究

对工业纯锆进行表面机械研磨处理(SMAT),实现其表面纳米化,并引入残余压应力场。采用偏光显微镜(PM)、透射电子显微镜(TEM)对SMAT处理试样显微组织进行表征,利用X射线应力仪测试不同循环加载周次下距试样表面不同深度处宏观残余应力。研究不同循环加载周次下距表层不同深度处X射线衍射峰半高宽的变化特征,并采用Voigt函数拟合X射线衍射峰,得到微观应变和位错密度的分布特征。结果表明:循环加载初期残余应力释放率最大,约为25%,随着循环加载周次增加残余应力释放率趋于稳定;不同循环加载周次下,随距表层深度增加,X射线衍射峰半高宽、微观应变和位错密度逐渐降低后趋于稳定;随着位错密度降低,残余压应力逐渐增加,位错密度值稳定于约2×1010cm-2时所对应的深度,和最大残余压应力对应的深度基本一致。循环载荷下残余应力释放是通过微观塑性变形过程中位错运动来实现。     

预应变对工业纯钛TA2疲劳裂纹尖端应变场的影响

钛制承压设备在制造和服役过程中会产生塑性变形,影响其抗疲劳性能。为了研究预应变对工业纯钛TA2疲劳裂纹扩展行为的影响,本文对原始材料、预应变量为10%、20%和30%的材料进行疲劳裂纹扩展试验,结合数字图像相关(Digital image correlation, DIC)技术获取裂纹尖端应变场,研究预应变对裂纹尖端应变场的影响。结果表明：随着预应变量的增加,稳态疲劳裂纹扩展阶段的扩展速率减小,裂纹张开位移减小,裂纹张开载荷增大,裂纹尖端塑性区、塑性变形量以及循环塑性应变累积量均减小。因此预应变抑制了裂纹尖端的塑性变形及循环塑性累积,致使裂纹闭合效应愈加明显,从而抑制了裂纹的扩展。研究结果对钛制承压设备的安全评定具有参考意义。     

不同疲劳载荷下工业纯钛再结晶热处理对疲劳裂纹扩展行为影响

本文开展热处理后工业纯钛TA2不同载荷水平下疲劳裂纹扩展实验,考虑裂尖塑性变形程度,研究疲劳裂纹扩展规律以及热处理状态对疲劳裂纹扩展不同阶段的适应性。结果表明,不同疲劳载荷下热处理对疲劳扩展速率产生不同的影响。A类加载热处理后的疲劳裂纹扩展速率下降是由于近门槛区有效载荷的降低,以及近门槛值的提高。B类加载下热处理对有效载荷以及裂尖塑性变形几乎没有什么影响。C类与D类加载下热处理后裂尖塑性变形受到限制,而导致疲劳裂纹扩展速率下降。     

ECAP+旋锻变形制备超细晶纯锆的高周疲劳行为

室温采用等通道变形和旋锻复合工艺制备超细晶工业纯锆。对比研究了超细晶和粗晶工业纯锆拉伸和疲劳性能,并运用SEM对疲劳断口形貌进行观察和分析。结果表明：超细晶工业纯锆的室温抗拉强度明显大于粗晶工业纯锆,延伸率有一定程度地降低。超细晶工业纯锆疲劳性能优于粗晶工业纯锆,其应力幅(σa)与疲劳寿命(Nf)满足σa=750Nf-0.06,疲劳极限σ-1为285 MPa,较粗晶工业纯锆提高了70%。断口分析显示,疲劳裂纹萌生于超细晶工业纯锆的表面,疲劳裂纹扩展区辉纹间距较粗晶工业纯锆细小,疲劳裂纹扩展更为缓慢。     

表面处理对锆合金性能的影响

介绍了锆合金的表面处理技术,讨论了各种表面处理技术对于锆合金表层结构和合金元素分布的影响及改善锆合金性能的机理,提出了进一步研究的建议.     

基于DIC与Irwin模型的工业纯钛疲劳裂纹尖端循环应变场表征

为了实现工业纯钛TA2疲劳裂纹尖端循环应变场的表征,采用数字图像相关(digital image correlation, DIC)方法并结合Irwin模型,研究了TA2紧凑拉伸试样在多级疲劳载荷下的裂纹扩展规律、循环应变场的实验划分方法以及循环应变环的演化规律。首先通过多级载荷试验获得了TA2紧凑拉伸试样的疲劳裂纹扩展规律,在此基础上结合DIC和Irwin模型,建立了疲劳裂纹尖端循环应变场的实验划分方法,实现了循环塑性区、单调塑性区和弹性区的划分。另一方面,采用DIC获得不同区域的滞回应变环,讨论了不同区域应变环的差异,从而论证了划分方法的有效性,并且揭示了裂纹扩展过程中裂纹尖端应变场从弹性区、单调塑性区到循环塑性区的演化规律。研究工作实现了TA2疲劳裂纹扩展过程中裂纹尖端循环应变场的表征,能够满足疲劳裂纹扩展研究的需要。     

纯锆的压缩变形行为

利用材料试验机和SHPB装置研究了常态下纯锆的静、动态压缩宏观力学性能。塑性变形阶段的流变应力及硬化率随应变率提高而增大,应变10％～20％段应力-应变曲线表现出凹向上趋势。金相观测表明,孪生是纯锆的重要变形机制,孪晶密度随应变及应变率的增长而增大。大应变时,动态压缩试样侧面观测到与压缩轴呈45°度的宏观裂纹。试样纵向剖开后,金相观测到发展的绝热剪切带。     

表面粗糙度对动车组车轮钢弯曲疲劳性能的影响

目的分析不同程度的表面损伤对车轮钢疲劳性能的影响程度,为车轮疲劳的预测提供有效指导。方法采用X射线衍射仪测量不同程度表面损伤试样的表面残余应力分布,通过弯曲疲劳试验机对不同表面损伤的试样进行疲劳测试,并采用扫描电镜对断口形貌进行分析。结果 Ra4.1试样表面残余压应力大约为Ra0.7试样的2~3倍。Ra0.7试样疲劳极限为287.5 MPa,Ra4.1试样疲劳极限为280 MPa,前者比后者提高了2.6%。在相同应力下,Ra0.7试样的疲劳寿命至少高出Ra4.1试样一个数量级。Ra0.7试样的疲劳裂纹起裂于表面机加工刀痕,深度约为20?m;Ra4.1试样的疲劳裂纹起裂于表面凹坑,深度约为40?m,直径约为100?m。结论试样表面粗糙度越大,表面损伤越严重,表面残余压应力越大。表面粗糙度等级提高,表面应力集中严重,材料的疲劳性能下降。所有试样均起裂于表面损伤宏观缺陷处,裂纹易于在表面粗糙度大的试样表面形成,向内部扩展速度更快。