氫致純鈦彈塑性變形機(jī)制研究.pdf

1、考慮到氫原子的原子半徑特別小，只要外界的條件有所變化，氫原子在金屬體系中通常處于不穩(wěn)定的狀態(tài)?？紤]到鈦合金的儲(chǔ)氫能力比較大，氫原子存在的方式和形態(tài)就出現(xiàn)多樣化。另外，涉及到氫原子和鈦原子中位錯(cuò)，缺陷等作用就更為復(fù)雜。很多國內(nèi)外學(xué)者嘗試對(duì)鈦氫體系中的氫原子微觀作用做系統(tǒng)性的研究，但是由于實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果都存在著有爭議的地方?？傮w而言，氫致塑性的微觀理論還不是特別完善，進(jìn)而對(duì)熱氫處理技術(shù)的發(fā)展也是有所限制。
　　本文主要是從三個(gè)方面來研

2、究鈦氫體系中氫與鈦微觀的作用機(jī)理。第一部分通過第一性原理對(duì) Ti-H體系的基本物理量進(jìn)行模擬。第二部分通過內(nèi)耗和模量的測試揭示 Ti-H體系彈性和內(nèi)耗機(jī)制。最后一部分主要研究氫在拉壓變形中起的不同作用。
　　第一性原理模擬結(jié)果表明：氫原子在α相和β相中更傾向于占據(jù)八面體間隙，因?yàn)闅湓庸倘苡诎嗣骟w間隙的溶解熱的絕對(duì)值大于四面體間隙的溶解熱。間隙氫原子溶入α-Ti造成體系的晶格畸變，程度與氫含量正相關(guān)，意味著氫在α-Ti中固溶度有限

3、。晶體畸變進(jìn)一步增大，晶體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)，晶體結(jié)構(gòu)有從 hcp向 bcc轉(zhuǎn)化趨勢，揭示了氫致相變。對(duì)于Ti-H電子結(jié)構(gòu)的研究中，費(fèi)米能級(jí)處新能帶的出現(xiàn)原因是 H原子的1s軌道電子與最近鄰的鈦原子3p,3d和4s軌道電子作用。而對(duì)于α-Ti，H的加入使得集居合數(shù)和最鄰近鈦原子的電子密度下降，氫致α-Ti弱鍵。而對(duì)于β-Ti，H的加入使得集居合數(shù)和最鄰近鈦原子的電子密度增加，氫致β-Ti強(qiáng)鍵。同時(shí)，Ti-H體系中，體積模量與氫含量正相關(guān)，α-Ti

4、中剪切和楊氏模量與氫含量負(fù)相關(guān)。β-Ti中剪切和楊氏模量與氫含量的增加正相關(guān)。氫對(duì)于<0001>晶向的α相的軟化效果比較明顯。
　　內(nèi)耗實(shí)驗(yàn)顯示在高溫區(qū)晶界弛豫內(nèi)耗峰Pb和再結(jié)晶內(nèi)耗峰P0與氫含量的反相關(guān)，與預(yù)變形程度正相關(guān)?；貜?fù)內(nèi)耗峰與氫含量正相關(guān)恰好說明顯示了氫抑制再結(jié)晶和氫促進(jìn)回復(fù)。隨著氫含量的增加，位錯(cuò)與點(diǎn)缺陷作用引起的內(nèi)耗峰P1和氫與位錯(cuò)產(chǎn)生內(nèi)耗峰P2越明顯，從而揭示氫促進(jìn)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。溶質(zhì)原子與位錯(cuò)內(nèi)耗峰 P4峰與氫含量

5、負(fù)相關(guān)，說明氫含量升高，位錯(cuò)與溶質(zhì)原子的釘扎作用減弱。氧原子引起的斯諾克內(nèi)耗峰與氫含量成正比，說明氫致擴(kuò)散。在α單相，β單相和α+β雙相區(qū)彈性模量的測量，實(shí)驗(yàn)證實(shí)了氫致α-Ti彈性模量下降和氫致β-Ti彈性模量上升，并構(gòu)建了數(shù)學(xué)模型。
　　對(duì)于氫致多晶塑性機(jī)制的探索，采取高溫壓縮和高溫板材拉伸實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)試樣進(jìn)行高溫變形，研究不同置氫量對(duì)拉壓屈服強(qiáng)度和穩(wěn)態(tài)應(yīng)力的變化，明確氫在拉壓變形不同階段起的不同作用。利用金相顯微鏡、掃描電鏡和

6、透射電鏡等分析組織變化。在高溫壓縮過程中，穩(wěn)態(tài)應(yīng)力值和屈服強(qiáng)度隨著置氫量的增加而下降，根據(jù)力學(xué)性能特征可以發(fā)現(xiàn)氫能促進(jìn)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)態(tài)回復(fù)，抑制動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。而在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)氫致α相向β相轉(zhuǎn)變是氫致塑性的重要因素。在高溫拉伸過程中，斷裂應(yīng)力值和屈服強(qiáng)度隨著置氫量的增加而下降，但是拉伸延伸率不與氫含量正相關(guān)，對(duì)于高溫拉伸變形存在最佳置氫量和溫度,分別為0.09wt.％和923K。最后，造成拉伸壓縮力學(xué)性能產(chǎn)生區(qū)別的因素在于壓縮和拉伸過程中氫致局