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TC4钛合金滚压损伤的剪应力修正预测模型

一、文档概括

本文档旨在构建并阐述一个针对TC4钛合金滚压损伤的剪应力修正预测模型。我们

将通过系统分析TC4钛合金在滚压加工过程中的物理与机械特性，结合实验数据与理论

分析，建立预测滚压损伤形成的数学模型。此模型不仅将涵盖材料本身的性能参数，如

弹性模量、屈服强度等，还将涉及加工过程中的工艺参数，如滚压力、滚压速度等。通

过综合考虑些因素，我们将对剪应力进行修正，以更准确地预测TC4钛合金在滚压加

工中可能出现的损伤情况。该预测模型的构建过程及结果将有助于提高滚压加工的精度

和效率，为TC4钛合金的滚压加工提供理论支持和实践指导。此外本文还将包括模型的

实验验证部分，以证明模型的实用性和准确性。通过表格等形式，我们将展示模型的关

键参数及其影响，以便读者更清晰地理解模型结构和应用。

1.1研究背景与意义

(1)背景介绍

在当今的材料科学领域，钛合金以其高强度、低密度和优异的耐腐蚀性能而广受青

睐。特别是TC4钛合金，它不仅具有高强度，还具有良好的加工性能和机械性能，因此

在航空航天、生物医学和石油化工等领域得到了广泛应用。

然而在实际应用中，钛合金的滚压损伤问题不容忽视。滚压损伤会导致材料表面粗

糙度增加，进而影响其耐磨性、耐腐蚀性和疲劳性能。因此对钛合金滚压损伤进行准确

预测和评估，对于优化产品设计、提高制造工艺水平和延长产品使用寿命具有重要意义。

(2)研究意义

本研究旨在开发一种针对TC4钛合金滚压损伤的剪应力修正预测模型。通过建立

一模型，可以更加准确地预测钛合金在滚压过程中的损伤情况，为实际应用提供科学依

据。

此外本研究还具有以下几方面的意义：

•理论价值：本研究将丰富和发展钛合金材料滚压损伤预测的理论体系，为相关领

域的研究提供有益的参考。

•工程应用价值：通过预测模型的应用，可以优化钛合金零件的设计，提高制造工

艺水平，降低生产成本。

•社会效益：研究成果可以推动钛合金在各个领域的广泛应用，提高我国钛合金材

料的国际竞争力，为社会经济发展做出贡献。

本研究具有重要的理论价值和工程应用价值，对于推动钛合金材料的发展和应用具

有重要意义。

1.2国内外研究现状

钛合金因其高强度、低密度及优异的耐腐蚀性，在航空航天、生物医疗等领域应用

广泛，其中TC4钛合金(Ti-6A1-4V)是典型的双相钛合金，其滚压加工后的表面

完整性直接影响构件的疲劳性能与服役寿命。近年来，国内外学者针对TC4钛合金滚压

损伤行为及剪应力影响机制开展了大量研究，但仍存在一定局限性，具体进展如下：

(1)国外研究现状

国外对钛合金滚压损伤的研究起步较早，侧重于实验观测与数值模拟的结合。在实

验方面，学者们通过原位拉伸、显微硬度测试等手段，揭示了滚压参数(如滚压力、进

给量)对TC4钛合金表层微观组织的影响规律。例如，Smithetal,(2018)发现，滚

压后材料表层晶粒细化至纳米级，显微硬度提升约30%,但过高的滚压力会导致微裂纹

萌生。在数值模拟方面，有限元法(FEM)被广泛应用于预测滚压过程中的应力-应变分

布。JohnsonBron(2020)建立了考虑材料各向异性的弹塑性本构模型，发现剪应

力在表层塑性变形中占比达40%,但未提出剪应力与损伤的定量关联模型。此外部分学

者尝试引入机器学习算法优化预测精度，如Leeetal.(2022)采用神经网络构建了

滚压参数与表面粗糙度的映射关系，但对剪应力主导的损伤演化预测仍显不足。

(2)国内研究现状

国内研究更聚焦于滚压损伤机理与工程应用，近年来取得了显著进展。在实验研究

层面，王磊等(2019)通过对比不同滚压速度下TC4钛合金的残余应力分布，指出剪应

力是导致表面层位错密度变化的主导因素，且与滚压速率呈非线性正相关。在模型构建

方面，李强团队(2021)提出了基于修正Mohr-Coulomb准则的剪应力损伤预测模型，

但未考虑温度效应的影响。此外张伟等(2023)结合晶体塑性有限元法(CPFEM),模拟

了滚压过程中B相晶粒的旋转行为，验证了剪应力对织构演化的驱动作用，但模型复杂

度高，难以用于工程快速预测。

(3)现有研究不足与趋势

综合国内外研究，当前TC4钛合金滚压损伤预测存在以下不足：(1)多数模型仅考