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中国航空学会
中国航发北京航空材料研究院
2015年35卷3期
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2015, 35(3): 1-6.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2015.3.001
摘要:
以自行制备的高合金含量的Al-Zn-Mg-Cu合金为试验材料,测试观察挤压带板及其制备的等温模锻件的织构类型及组分强度、组织结构、平面拉伸力学性能及各向异性指数,通过计算{111}<112>滑移系的施密特因子,采用单晶近似法分析平面拉伸力学性能各向异性与织构的关系,使用霍尔-佩奇定律分析了组织结构与平面拉伸力学性能各向异性的关系,结果表明:合金经剧烈变形后,以变形织构为主,变形织构会引起各向异性,导致合金45°方向强度偏低;挤压形成的纤维组织是引起挤压带板L向及LT向各向异性的主要原因。{110}<112>Brass织构强度增加,可以抵消纤维组织引起的L向及LT向的各向异性; LT向伸长率低及伸长率各向异性主要是由第二相粒子延晶界的链状分布引起,同时也与织构引起的晶粒强度变化有很大关系。
以自行制备的高合金含量的Al-Zn-Mg-Cu合金为试验材料,测试观察挤压带板及其制备的等温模锻件的织构类型及组分强度、组织结构、平面拉伸力学性能及各向异性指数,通过计算{111}<112>滑移系的施密特因子,采用单晶近似法分析平面拉伸力学性能各向异性与织构的关系,使用霍尔-佩奇定律分析了组织结构与平面拉伸力学性能各向异性的关系,结果表明:合金经剧烈变形后,以变形织构为主,变形织构会引起各向异性,导致合金45°方向强度偏低;挤压形成的纤维组织是引起挤压带板L向及LT向各向异性的主要原因。{110}<112>Brass织构强度增加,可以抵消纤维组织引起的L向及LT向的各向异性; LT向伸长率低及伸长率各向异性主要是由第二相粒子延晶界的链状分布引起,同时也与织构引起的晶粒强度变化有很大关系。
2015, 35(3): 7-12.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2015.3.002
摘要:
以有序O相为基的Ti2AlNb基金属间化合物合金在航空领域具有广阔的应用前景。鉴于由O,B2和α2三相构成的Ti2AlNb基合金力学性能对相构成和组织敏感,采用金相显微镜、扫描电镜、透射电镜、X-射线衍射等分析手段,研究了不同固溶处理温度下Ti2AlNb基合金组织演变的规律。研究结果表明,随着固溶温度升高,O相向B2相转变,原始状态中的α2相随固溶温度升高逐渐消失。固溶温度决定了材料中O,B2和α2三相的含量及最终组织形貌,也决定了材料的性能。
以有序O相为基的Ti2AlNb基金属间化合物合金在航空领域具有广阔的应用前景。鉴于由O,B2和α2三相构成的Ti2AlNb基合金力学性能对相构成和组织敏感,采用金相显微镜、扫描电镜、透射电镜、X-射线衍射等分析手段,研究了不同固溶处理温度下Ti2AlNb基合金组织演变的规律。研究结果表明,随着固溶温度升高,O相向B2相转变,原始状态中的α2相随固溶温度升高逐渐消失。固溶温度决定了材料中O,B2和α2三相的含量及最终组织形貌,也决定了材料的性能。
2015, 35(3): 13-17.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2015.3.003
摘要:
采用雾化粉体+挤压(Ato+Ext)、雾化粉体+热等静压+挤压(Ato+HIP+Ext)、低温球磨+挤压(Cryo+Ext)、低温球磨+热等静压+挤压(Cryo+HIP+Ext)四组不同的工艺制备块体纳米晶/细晶铝,并测定了室温拉伸性能,分析了这些块体材料的拉伸应力-应变曲线,利用透射电镜和扫描电镜观察了试样断口附近的位错活动及试样的断口形貌,讨论了其变形机理和断裂机理。研究结果表明:球磨粉体制备的块体纳米晶铝的强度远高于雾化粉体制备的块体超细晶铝,四组块体材料在拉伸过程中均不存在加工硬化现象;块体超细晶铝在拉伸过程中发生了明显的位错运动,对于块体纳米晶铝,尺寸≤100nm的晶粒在拉伸过程中内部基本不发生位错运动;块体超细晶铝大部分区域发生穿晶断裂,而块体纳米晶铝基本发生沿晶断裂。
采用雾化粉体+挤压(Ato+Ext)、雾化粉体+热等静压+挤压(Ato+HIP+Ext)、低温球磨+挤压(Cryo+Ext)、低温球磨+热等静压+挤压(Cryo+HIP+Ext)四组不同的工艺制备块体纳米晶/细晶铝,并测定了室温拉伸性能,分析了这些块体材料的拉伸应力-应变曲线,利用透射电镜和扫描电镜观察了试样断口附近的位错活动及试样的断口形貌,讨论了其变形机理和断裂机理。研究结果表明:球磨粉体制备的块体纳米晶铝的强度远高于雾化粉体制备的块体超细晶铝,四组块体材料在拉伸过程中均不存在加工硬化现象;块体超细晶铝在拉伸过程中发生了明显的位错运动,对于块体纳米晶铝,尺寸≤100nm的晶粒在拉伸过程中内部基本不发生位错运动;块体超细晶铝大部分区域发生穿晶断裂,而块体纳米晶铝基本发生沿晶断裂。
2015, 35(3): 18-23.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2015.3.004
摘要:
采用Gleeble热模拟机进行热压缩实验,研究7150铝合金在变形温度为300~450℃、应变速率为0.01~10s-1条件下的变形行为,采用Zener-Hollomon参数法构建合金高温塑性变形本构方程,并对变形后的微观组织进行分析。研究表明:7150铝合金的流变应力随应变速率增大而增大,随变形温度增大而降低。该合金热压缩变形的流变应力行为可用双曲正弦形式的本构方程描述,其参数A为4.161×1014 s-1,α为0.01956 MPa-1,n为5.14336,热变形激活能Q为229.7531kJ/mol。随着温度升高和应变速率降低,动态再结晶逐渐取代动态回复成为合金的主要软化机制。
采用Gleeble热模拟机进行热压缩实验,研究7150铝合金在变形温度为300~450℃、应变速率为0.01~10s-1条件下的变形行为,采用Zener-Hollomon参数法构建合金高温塑性变形本构方程,并对变形后的微观组织进行分析。研究表明:7150铝合金的流变应力随应变速率增大而增大,随变形温度增大而降低。该合金热压缩变形的流变应力行为可用双曲正弦形式的本构方程描述,其参数A为4.161×1014 s-1,α为0.01956 MPa-1,n为5.14336,热变形激活能Q为229.7531kJ/mol。随着温度升高和应变速率降低,动态再结晶逐渐取代动态回复成为合金的主要软化机制。
2015, 35(3): 24-28.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2015.3.005
摘要:
采用相同规格TA15棒材分别利用800MN模锻压力机、1MJ对击模锻锤制备同种形状钛合金大型航空模锻件,对两种模锻条件下的锻件组织及力学性能进行了对比研究。结果表明:800MN制备的锻件塑性流线分布好,每火次变形量大、变形速率低,比1MJ锻件再结晶晶粒尺寸小、等轴初生α相比例高且颗粒更加细小,室温、500℃高温拉伸性能以及冲击韧性和断裂韧性均有所提高。
采用相同规格TA15棒材分别利用800MN模锻压力机、1MJ对击模锻锤制备同种形状钛合金大型航空模锻件,对两种模锻条件下的锻件组织及力学性能进行了对比研究。结果表明:800MN制备的锻件塑性流线分布好,每火次变形量大、变形速率低,比1MJ锻件再结晶晶粒尺寸小、等轴初生α相比例高且颗粒更加细小,室温、500℃高温拉伸性能以及冲击韧性和断裂韧性均有所提高。
2015, 35(3): 29-34.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2015.3.006
摘要:
为研究摩擦在超塑成形中对零件壁厚分布的影响,以TC4钛合金负角度法兰盘零件为背景,采用 MSC.MARC 有限元数值模拟分析了单面正向成形下模变摩擦和正反向成形上模变摩擦对零件壁厚的影响.通过方差分析和极差分析研究了正反向成形上模不同区域摩擦的变化对最小壁厚和壁厚均匀性的影响。结果表明:单面正向成形中,摩擦越小,负角度壁壁厚减薄越大,而正角度壁壁厚确呈相反的趋势;正反向成形中,当下模摩擦固定时,随着上模摩擦系数的增大,实际零件的最小壁厚相应增大;正反向成形上模不同区域摩擦的变化,对零件的最小壁厚和壁厚分布产生不同的影响;反向成形过程中板料先接触模具的部位对零件的壁厚影响较大。
为研究摩擦在超塑成形中对零件壁厚分布的影响,以TC4钛合金负角度法兰盘零件为背景,采用 MSC.MARC 有限元数值模拟分析了单面正向成形下模变摩擦和正反向成形上模变摩擦对零件壁厚的影响.通过方差分析和极差分析研究了正反向成形上模不同区域摩擦的变化对最小壁厚和壁厚均匀性的影响。结果表明:单面正向成形中,摩擦越小,负角度壁壁厚减薄越大,而正角度壁壁厚确呈相反的趋势;正反向成形中,当下模摩擦固定时,随着上模摩擦系数的增大,实际零件的最小壁厚相应增大;正反向成形上模不同区域摩擦的变化,对零件的最小壁厚和壁厚分布产生不同的影响;反向成形过程中板料先接触模具的部位对零件的壁厚影响较大。
2015, 35(3): 35-42.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2015.3.007
摘要:
对Ti5Mo5V3Al-xCr(x=1.0, 3.0, 5.0, 7.0, 9.0)系五种合金分别在β单相区和(α+β)两相区固溶水淬处理后,并在同一温度时效后的力学性能进行了研究。结果显示,合金的时效强度随着Cr含量的增加而逐渐降低。通过扫描电镜SEM及XRD等分析测试手段,详细分析了五种合金在各种热处理状态下的相构成、相含量、尺寸形貌等微观因素与宏观力学性能之间的相关性。结果显示Ti5Mo5V3Al-xCr系合金的强化机制主要是由于时效过程中析出的αs相造成的。合金强化效应的大小则与αs相析出的数量、尺寸密切相关,而αs相的析出机制主要由Cr元素在合金系中的含量所决定。
对Ti5Mo5V3Al-xCr(x=1.0, 3.0, 5.0, 7.0, 9.0)系五种合金分别在β单相区和(α+β)两相区固溶水淬处理后,并在同一温度时效后的力学性能进行了研究。结果显示,合金的时效强度随着Cr含量的增加而逐渐降低。通过扫描电镜SEM及XRD等分析测试手段,详细分析了五种合金在各种热处理状态下的相构成、相含量、尺寸形貌等微观因素与宏观力学性能之间的相关性。结果显示Ti5Mo5V3Al-xCr系合金的强化机制主要是由于时效过程中析出的αs相造成的。合金强化效应的大小则与αs相析出的数量、尺寸密切相关,而αs相的析出机制主要由Cr元素在合金系中的含量所决定。
2015, 35(3): 43-48.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2015.3.008
摘要:
采用钴基钎料及镍基合金粉料,分别在1170℃保温10min、60min和120min的钎焊工艺下,对K452镍基铸造高温合金进行真空钎焊实验,通过扫描电镜和能谱分析仪进行了接头显微组织观察与物相分析,并测试钎焊接头的高温力学性能。结果表明:在保温60min的工艺规范下,界面实现较好的结合,钎缝内部孔洞缺陷较少,钎缝组织均匀,有利于钎焊接头性能的提高;在更长的保温时间120min下,钎缝内部又有蚀孔缺陷形成,且较多的白色块状化合物在合金粉颗粒间聚集长大,但界面结合良好,钎焊接头性能较高,900℃抗拉强度达到400MPa,900℃/100MPa持久寿命为141h55min。
采用钴基钎料及镍基合金粉料,分别在1170℃保温10min、60min和120min的钎焊工艺下,对K452镍基铸造高温合金进行真空钎焊实验,通过扫描电镜和能谱分析仪进行了接头显微组织观察与物相分析,并测试钎焊接头的高温力学性能。结果表明:在保温60min的工艺规范下,界面实现较好的结合,钎缝内部孔洞缺陷较少,钎缝组织均匀,有利于钎焊接头性能的提高;在更长的保温时间120min下,钎缝内部又有蚀孔缺陷形成,且较多的白色块状化合物在合金粉颗粒间聚集长大,但界面结合良好,钎焊接头性能较高,900℃抗拉强度达到400MPa,900℃/100MPa持久寿命为141h55min。
2015, 35(3): 49-54.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2015.3.009
摘要:
研究了不同温度焊后时效处理对2219铝合金变极性钨极氩弧焊(VPTIG)接头各微区显微组织的影响,采用显微硬度测试和透射电镜观察分析焊接接头各微区析出相的形貌和分布。结果表明,焊后时效处理温度不同,焊接接头各微区显微组织和硬度发生的变化不同。热影响区中的完全回复区对焊后时效最为敏感,低温处理时显微硬度就有明显增长,并在160℃处理时达到最大涨幅;焊缝区变化相对较小,其显微硬度的最高涨幅出现在210℃,且小于前者;热影响区中的过时效区最为稳定,显微硬度的最大增长同样出现在160℃,但涨幅很小。透射电镜观察表明,焊接接头各微区的显微硬度变化主要与时效强化相的析出行为有关。
研究了不同温度焊后时效处理对2219铝合金变极性钨极氩弧焊(VPTIG)接头各微区显微组织的影响,采用显微硬度测试和透射电镜观察分析焊接接头各微区析出相的形貌和分布。结果表明,焊后时效处理温度不同,焊接接头各微区显微组织和硬度发生的变化不同。热影响区中的完全回复区对焊后时效最为敏感,低温处理时显微硬度就有明显增长,并在160℃处理时达到最大涨幅;焊缝区变化相对较小,其显微硬度的最高涨幅出现在210℃,且小于前者;热影响区中的过时效区最为稳定,显微硬度的最大增长同样出现在160℃,但涨幅很小。透射电镜观察表明,焊接接头各微区的显微硬度变化主要与时效强化相的析出行为有关。
2015, 35(3): 55-59.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2015.3.010
摘要:
利用无针搅拌头,对C71000铜镍合金和Q235低碳钢进行了搅拌摩擦搭接焊。借助拉剪试验、SEM和EDS,研究了搭接面低碳钢侧镀镍层厚度对接头拉剪强度的影响机制。研究表明:镀镍层可阻止Fe元素在焊接过程中发生氧化,减少焊缝接合面上的微孔隙。焊接过程中的高温以及高压作用,使Fe和Cu原子扩散到镀镍层中,实现两板料间无缝接合。增大接合面的低碳钢侧镀镍层厚度,有利于提高焊缝的拉剪强度,当铜镍合金侧和低碳钢侧镀镍层厚度分别达5μm和20μm时,接头拉剪强度最大,约为295 MPa,为无镀层接头拉剪强度的2.76倍,接近铜镍合金母材的剪断强度。
利用无针搅拌头,对C71000铜镍合金和Q235低碳钢进行了搅拌摩擦搭接焊。借助拉剪试验、SEM和EDS,研究了搭接面低碳钢侧镀镍层厚度对接头拉剪强度的影响机制。研究表明:镀镍层可阻止Fe元素在焊接过程中发生氧化,减少焊缝接合面上的微孔隙。焊接过程中的高温以及高压作用,使Fe和Cu原子扩散到镀镍层中,实现两板料间无缝接合。增大接合面的低碳钢侧镀镍层厚度,有利于提高焊缝的拉剪强度,当铜镍合金侧和低碳钢侧镀镍层厚度分别达5μm和20μm时,接头拉剪强度最大,约为295 MPa,为无镀层接头拉剪强度的2.76倍,接近铜镍合金母材的剪断强度。
2015, 35(3): 60-68.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2015.3.011
摘要:
基于有限元辅助测试方法(Finite element aided testing,FAT)对新型聚合物PA66开展了直至破坏的全程单轴本构关系的研究。另外,将VIC-3D光测所得的试样表面应变场结果与有限元模拟结果进行对比,表明通过FAT方法获得的聚合物PA66全程单轴本构关系结果准确有效。最后给出了聚合物PA66的全程单轴本构关系曲线,给出了对应Chaboche本构关系模型的参数、材料临界破断应力、破断应变、应力三轴度等,并对试样的破断机理进行了分析。
基于有限元辅助测试方法(Finite element aided testing,FAT)对新型聚合物PA66开展了直至破坏的全程单轴本构关系的研究。另外,将VIC-3D光测所得的试样表面应变场结果与有限元模拟结果进行对比,表明通过FAT方法获得的聚合物PA66全程单轴本构关系结果准确有效。最后给出了聚合物PA66的全程单轴本构关系曲线,给出了对应Chaboche本构关系模型的参数、材料临界破断应力、破断应变、应力三轴度等,并对试样的破断机理进行了分析。
2015, 35(3): 69-76.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2015.3.012
摘要:
在复合材料液体成型工艺过程中,通过计算机软件的模拟研究,可以预先判断树脂在增强体中的流动形式和获得树脂的注模时间以及注模压力,进而为实际成型工艺提供参考设计。本文利用PAM-RTM模拟软件对复合材料副翼典型结构件的树脂流动过程进行了模拟计算。根据达西定律推导出树脂在增强纤维中一维流动渗透率计算公式,分别对增强纤维、缝线纤维进行了渗透率测试,在此基础上对渗透率数值进行了修正。利用渗透率修正值采用不同的流道设计方案对树脂注模过程进行了模拟研究,根据模拟结果最终选择合理的注射方式和流道布局。对所选方案进行了工艺试验验证,并对结构件进行了超声无损检测。结果显示:理论充模时间和试验充模时间基本一致,结构件没有内部缺陷,树脂填充完全,模拟工艺计算有效。
在复合材料液体成型工艺过程中,通过计算机软件的模拟研究,可以预先判断树脂在增强体中的流动形式和获得树脂的注模时间以及注模压力,进而为实际成型工艺提供参考设计。本文利用PAM-RTM模拟软件对复合材料副翼典型结构件的树脂流动过程进行了模拟计算。根据达西定律推导出树脂在增强纤维中一维流动渗透率计算公式,分别对增强纤维、缝线纤维进行了渗透率测试,在此基础上对渗透率数值进行了修正。利用渗透率修正值采用不同的流道设计方案对树脂注模过程进行了模拟研究,根据模拟结果最终选择合理的注射方式和流道布局。对所选方案进行了工艺试验验证,并对结构件进行了超声无损检测。结果显示:理论充模时间和试验充模时间基本一致,结构件没有内部缺陷,树脂填充完全,模拟工艺计算有效。
2015, 35(3): 77-82.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2015.3.013
摘要:
从理论上推导了叠层球面橡胶-金属弹性轴承各胶层的压缩刚度和扭转刚度计算公式,探讨了胶层压缩刚度、扭转刚度的等刚度设计方法,并将等压缩刚度和等扭转刚度设计方案的理论计算结果、有限元仿真结果分别与未进行等刚度设计方案的结果分别进行了计算和对比,结果表明,等刚度设计可以很大程度上消除不同胶层之间的刚度差异,各胶层压缩刚度和扭转刚度的理论计算结果与仿真结果基本吻合。
从理论上推导了叠层球面橡胶-金属弹性轴承各胶层的压缩刚度和扭转刚度计算公式,探讨了胶层压缩刚度、扭转刚度的等刚度设计方法,并将等压缩刚度和等扭转刚度设计方案的理论计算结果、有限元仿真结果分别与未进行等刚度设计方案的结果分别进行了计算和对比,结果表明,等刚度设计可以很大程度上消除不同胶层之间的刚度差异,各胶层压缩刚度和扭转刚度的理论计算结果与仿真结果基本吻合。
2015, 35(3): 83-88.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2015.3.014
摘要:
通过轴向循环拉压实验获得漏斗试样载荷-位移(P-V)曲线,并基于该曲线和有限元反演分析方法获得了材料的循环本构关系。利用该循环本构关系对漏斗试样进行三维扭转有限元分析,获得漏斗根部剪切应力与扭矩之间的转换公式,及漏斗根部剪切应变与名义扭角之间的转换公式,实现了漏斗试样扭转低周疲劳的研究。应用该方法,完成了C250钢漏斗试样常温下一条曲线的扭转低周疲劳实验,揭示了C250钢的疲劳行为,并给出了该材料的Manson-Coffin寿命预测模型。
通过轴向循环拉压实验获得漏斗试样载荷-位移(P-V)曲线,并基于该曲线和有限元反演分析方法获得了材料的循环本构关系。利用该循环本构关系对漏斗试样进行三维扭转有限元分析,获得漏斗根部剪切应力与扭矩之间的转换公式,及漏斗根部剪切应变与名义扭角之间的转换公式,实现了漏斗试样扭转低周疲劳的研究。应用该方法,完成了C250钢漏斗试样常温下一条曲线的扭转低周疲劳实验,揭示了C250钢的疲劳行为,并给出了该材料的Manson-Coffin寿命预测模型。
