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摘 要

钛及其合金凭借优良的综合性能，得到广泛应用。但其硬度低，耐磨性差，越来越不能满足复杂工况下的使用要求。因钛材价格昂贵，失效现象带来损失巨大，因此需要对钛材进行渗氧强化处理，钛合金经过渗氧强化后硬度和耐磨性的提高的本质与表面强化层力学性能密切相关，因此，研究渗氧强化处理后钛材的力学性能对材料的合理应用具有重要意义。

本文选取TC4钛合金板材作为试验材料，进行渗氧强化试验，借助金相显微镜，电子探针微区分析仪等仪器对渗氧强化层微观组织进行观察以及氧浓度检测，再采用纳米压痕仪静态加载试验，对渗氧强化层的力学性能展开研究。关键词：钛材 渗氧强化层 纳米压痕 力学性能Study on mechanical properties of oxygen-impregnated reinforced layer of titanium based on nano-indentation technology

Abstract

Titanium and its alloys have been widely used due to their excellent comprehensive properties. Because its hardness is low, wear resistance is poor, more and more can not meet the use requirements under complex working condition. For titanium is expensive, the failure phenomenon brings huge losses, so we need to reinforce oxygen permeability of titanium, titanium alloy after oxygen permeability to strengthen the essence of the hardness and wear resistance increase is closely related to the mechanical properties of surface strengthening layer. Therefore, the study of permeability improved after treatment, the mechanical properties of titanium on the reasonable application of the material is of great significance.This article selects TC4 titanium alloy sheet as test material, oxygen permeability to strength experiment was carried out, with the aid of metallographic microscope, electron probe micro analyzer strengthening layer microstructure observation and oxygen concentration detection, then through the nano indentation apparatus to text and in turn, to study the mechanical properties of materials and test conclusion.Keywords: titanium; oxygen-impregnated layer; nano-indentation; mechanical properties

目 录

摘要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2钛材表面渗氧强化处理技术研究背景 1

1.2.1 渗氧强化原理 1

1.2.2 钛材渗氧强化研究进展 3

1.3 渗氧强化后钛材力学性能 3

1.4本章小结 4

1.5本文的研究思路及主要内容 4

第二章 钛材微观特征表征 5

2.1引言 5

2.2 试验内容及方法 5

2.2.1 试验材料与试样制备 5

2.2.2 金相试验及氧浓度检测 6

2.3 试验结果及讨论 7

2.3.1 微观组织特征分析 7

2.3.2 氧浓度分布 8

2.4 本章小结 8

第三章 纳米压痕试验 9

3.1引言 9

3.2 纳米压痕及反演分析方法 9

3.2.1 纳米压痕 9

3.2.2 基于反演分析方法的材料微区弹塑性性能表征 11

3.2.3 Nix-Gao模型与压痕尺寸效应 12

3.2.4 应力-应变曲线转换模型 13

3.3 试验内容及方法 14

3.3.1 试样材料与试样制备 14

3.3.2 纳米压痕试验 14

3.4试验结果与讨论 15

3.4.1 载荷-位移曲线 15

3.4.2 SPM电子探针压痕形貌和压痕3D图 16

3.4.3 纳米硬度及弹性模量分布 17

3.4.4 压痕应力-应变曲线 20

3.5 本章小结 22

第四章 经济效益评价 23

第五章 总结与展望 24

5.1本文工作总结 24

5.2 展望 24

参考文献 25

致谢 29

第一章 绪论

1.1引言

钛材拥有良好的综合性能，但其硬度低，耐磨性差^[1]，会导致提前失效。因此目前国内外针对钛及其合金材料强化等领域研究不断，期望寻找适用于钛材效果最好，最为经济的材料处理方式。

本文以渗氧强化后钛材的渗氧强化层为主要研究对象，使用纳米压痕仪对渗氧强化层进行力学性能研究。本章阐述有关渗氧处理技术发展状况以及钛材渗氧后力学性能有关文献内容。根据最近国内外文献记载中通过渗氧强化处理后钛材性能变化特点，了解技术发展趋势，做出下一步研究方向预测。

1.2钛材表面渗氧强化处理技术研究背景

钛及其合金应用广泛，需要进行表面强化处理，提高材料性能。狄玉丽等人^[2]研究适用于钛材表面处理技术，包括渗碳，渗氧，渗氮，激光表面处理等，有助于增加钛材硬度，耐磨性也会提高。其中渗氧强化相对于渗碳，渗氮过程来说介质环保，工艺较简单，因此近几年渗氧强化为钛材强化的研究重点。

1.2.1 渗氧强化原理

氧元素与碳，氮相同，都可以增加钛材性能，但在之前的研究中，渗氧处理过程相对渗碳、渗氮处理，会在钛材表面形成较易破裂的氧化膜，所以氧元素一直被认为是钛材处理有害元素，渗氧处理没有普及。根据目前钛材料本身材料元素分析，氧是钛材料α相稳定化元素^[3-5]，钛材α相区在氧元素进入后可以扩大。由于钛的氧化物硬度很高，氧易渗透进入基体形成固溶体^{[6, 7]}，因此氧可以对钛材起到固溶强化的作用，显著提高材料硬度。根据Ti-O二元相图^[8]（见图1-1），氧在α-Ti中的溶解度较大，可到达14.5%，氧在1740℃条件下在β-Ti中最大溶解度为1.8%，α到β相的相变温度因含有较多固溶氧而提高，α相较稳定，钛材硬度提高。

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