氢致IVB族纯金属与钛合金高温软化共性规律及微观机理研究

Thermo hydrogen processing of titanium alloy uses hydrogen as a temporary alloying element in order to improve the properties of titanium alloy through changing plasticity, microstructure and reversible effects. Hydrogen induced titanium alloy high temperature softening is one of the most important aspects of thermo hydrogen processing. The common laws and microscopic mechanism of hydrogen induced high temperature softening in pure group IVB metals and titanium alloy are researched in this project, which are carried out by macroscopic mechanical properties, micro-situ tests and molecular dynamics simulation. The main explorations are as follows: 1) the quantitative relationship between hydrogen content and steady stress, including its existing reasons; 2) the interaction effect between hydrogen atoms diffusion and dislocation motion; 3) the effect of hydrogenation on mechanical properties α phase and β phase; 4) the thermodynamic and kinetic mechanism of α→β phase transition. The research of this project is helpful to understand the physical essence of hydrogen induced high temperature softening in pure group IVB metals and titanium alloy, and establish the theoretical basis for the engineering application of thermo hydrogen processing technology.

热氢处理技术就是把氢作为临时合金元素，通过氢致塑性、氢致相变以及氢的可逆合金化作用达到改善钛合金性能的目的。氢致钛合金高温软化是热氢处理技术最重要的研究方向之一。本项目采用宏观力学性能测试、微观原位实验以及分子动力学模拟相结合的方法，研究氢致IVB族纯金属和钛合金的高温软化共性规律和微观机理。主要探索：1）氢含量与稳态应力之间的定量关系及其存在的原因；2）氢原子的扩散运动与位错运动的交互作用；3）置氢对α相和β相力学性能的影响；4）氢致α→β相转变的热力学和动力学机理。本项目的研究对揭示氢致IVB族纯金属和钛合金高温软化的物理本质有重要意义，为热氢处理技术的应用奠定理论基础。

本项目研究了置氢钛、锆和Ti6Al4V合金高温软化行为。发现了氢含量与稳态应力之间的定量关系，并将氢致组织演变和相转变与力学性能的变化联系起来，完善了氢致钛族金属和合金高温软化的理论体系。结果表明：氢对钛和锆高温变形行为的影响趋势基本一致。在α+β相区，稳态应力与氢含量反线性相关；在β相区，氢致强化时，稳态应力与氢含量正线性相关。置氢Ti6Al4V合金在β相区，稳态应力与氢含量正线性相关。此外，还发现了氢致钛和锆的β相高温软化现象。发现了置氢试样变形后的位错密度低于相同温度下的未置氢试样，置氢促进α相的动态回复。.氢致α相高温软化和氢致α相向β相转变是氢致钛、锆以及Ti6Al4V合金高温软化的主要原因。氢致α相高温软化的机理是：1）氢致弱键降低了α相的剪切模量，从而降低了位错开动的临界分切应力；2）氢的快速扩散以及对压力变化的敏感性偏聚形成了氢气团，氢气团促进了位错的运动，缓解了位错塞积与钉扎；3）氢在α相中的溶解度并不高，氢原子的体积也不大，因此造成的晶格畸变不大，固溶强化的效果不显著。氢对β相产生软化作用还是强化作用取决于以下两种机制的竞争：1）氢气团促进位错运动带来的软化作用；2）氢致强键提高剪切模量致位错开动的临界分切应力增大，以及氢作为固溶原子产生固溶强化作用。.采用第一原理模拟计算了H对α-Ti和β-Ti机械性能的影响，并且解释了造成相应影响的原因。计算了氢含量对α-Ti和β-Ti结构参数、弹性模量、以及层错能的影响，发现H的加入可以降低α-Ti晶体的剪切模量和层错能，从而使其塑性变形更易发生；H加入β-Ti晶体，起到的作用恰好相反。计算结果还表明，H的加入可以增强α-Ti的韧性，但是却使β-Ti脆化。