TiAl金属间化合物高温动态力学行为及变形机理研究

论文摘要

目前对可能成为新一代高温结构材料的TiAl金属间化合物的力学性能的研究主要为TiAl在不同温度下准静态力学行为的研究,而对TiAl的抗冲击性能的研究还仅仅处于起步阶段,且集中于TiAl在不同温度下动态压缩力学行为的研究当中。本课题来源于国家自然科学基金（项目批准号90505002）,旨在对TiAl金属间化合物的动态高温拉伸力学性能和变形机理进行初步的探索。本文对高温冲击拉伸试验技术中的加温技术进行了改造,研制了第四代基于大热容量温升极大值原理的快速接触加温技术,从而将最高试验温度由750℃提高至850℃。利用该高温冲击拉伸试验技术,在室温至840℃下对等轴（NG）、近片层（NL）和双态（DP）组织的Ti-46.5Al-2Nb-2Cr在320、800和1350s-1应变率下的冲击拉伸力学行为进行了实验研究;同时在MTS 809材料试验机上对相应温度下应变率为0.001s-1的准静态拉伸力学行为进行了实验研究。试验结果表明,三种不同微观组织的TiAl具有类似的温度和应变率相关性。BDTT均随应变率的增加而上升。动载和静载下强度（包括屈服应力和定应变下的流动应力,下同）的温度相关性曲线均被“特征温度”（NG TiAl约为650℃,其它两种组织的TiAl约为500℃）和BDTT划分为Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ三个区域;其中在Ⅰ和Ⅲ区,强度随温度的上升而下降,在Ⅱ区,强度随温度的上升几乎无变化;且动载Ⅱ区的温度跨度要明显大于静载Ⅱ区的温度跨度,也即动载下强度随温度上升而基本不变的温度跨度要明显大于静载下的。总体上动载下材料的强度以及高温下的失稳应变εb高于静载下的强度和高温下的εb（εb指的是BDTT以下的）,但在本文的高应变率加载范围内(320～1350s-1)动载下的强度和εb的应变率相关性并不明显。同时,动态加载下的硬化率均可看成与温度和应变率无关。由此可看出,TiAl不仅呈现“高速韧”,而且呈现了高温高速韧;也就是说材料动态下的高温综合力学性能优于准静态下的。必须指出,三种微观组织的TiAl随组织中片层晶粒含量的增加（NG→DP→NL）,准静态下的BDTT逐渐升高;动态下的真应力-真应变曲线中屈服点逐渐不明显,且硬化段也逐渐偏离线性。SEM断口分析表明,三种微观组织的TiAl的断裂方式具有类似的温度和应变率相关性。BDTT以下,无论静载还是动载下的材料均为脆性断裂,且随温度的升高,材料的断裂方式由穿晶解理断裂方式逐渐转变为沿晶断裂方式;而BDTT以上材料为塑性断裂,断口中出现大量韧窝。TEM显微分析表明,三种组织的TiAl的变形机理也具有类似的温度和应变率相关性。动载下试件中的位错密度明显小于静态下的位错密度,而形变孪晶的密度却明显高于静载下的密度;动载下与静载下类似,温度越高越容易形成孪晶,同时高温下形成的形变孪晶均会贯穿整个晶粒;但在本文的动态加载范围内(320～1350s-1),形变孪晶的密度随应变率的增加无明显变化;且在动态加载下存在一个类似于上述强度的温度相关性曲线中的“Ⅱ区域”,在此“Ⅱ区域”的温度范围内形变孪晶的密度基本上不随温度的上升而变化。层错不仅在不同温度动载下的试件中的密度明显的高于静载下的密度,而且在本文的高应变率加载范围内(320～1350s-1),应变率越高越容易出现层错。综上所述,动态加载下TiAl的变形主要是受孪生（层错）机制控制的,而准静态加载下,TiAl的变形还受位错滑移机制控制。还必须指出,由于片层晶粒的晶界面积要高于等轴晶粒的,NL组织的晶界间相互运动在整个材料的变形过程中占有一定的比例,导致片层晶内的孪晶/层错带的密度要明显小于NG TiAl以及DP TiAl中等轴晶粒内的;而DP组织中的变形主要集中在等轴晶粒内,而高应变加载下DP TiAl的片层晶群内几乎无明显的变形特征。孪生（层错）机制导致TiAl的动强度明显高于静强度,但在本文的高应变率范围内(320～1350s-1)动强度与应变率的相关性不明显。孪生（层错）机制还使得TiAl的硬化段基本成线性（NL TiAl的硬化段受晶界运动影响有些偏离线性）且与温度和应变率无关。同时孪生（层错）机制还可提高材料的塑性,因此BDTT以下相同温度时,材料动载下的塑性也高于静载下的塑性。基于Zerrilli-Armstrong模型,结合TiAl变形机理的特征,本文采用了BCC形式的Z-A本构模型以描述TiAl的流动特性,并给出了确定本构模型所用参数的方法。拟合曲线与试验结果吻合较好,说明该模型能较好地表征三种不同微观组织的TiAl在350～840℃应变率为320～1350S-1下材料的流动特性。总之,本文从宏观力学行为以及变形机理的角度,初步揭示了TiAl有可能成为一种抗冲击的高温结构材料。

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致谢

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 引言

1.2 合金成分和制备工艺及其对TiAl力学性能的影响

1.3 TiAl在准静态加载下的高温力学性能和变形机理

1.4 TiAl在动态加载下的高温力学性能和变形机理

1.5 TiAl的宏观本构关系的研究

1.6 本文的工作

第2章 TiAl在不同温度和应变率下的力学行为

2.1 三种典型组织的Ti-46.5Al-2Nb-2Cr的制备

2.2 高温动态拉伸试验技术简介

2.2.1 用于高温动态试验的加温技术简介

2.2.2 本文使用的高温冲击拉伸试验技术简介

2.3 Ti-46.5Al-2Nb-2Cr在不同温度和应变率下的拉伸力学行为

2.3.1 Near Gamma TiAl的力学行为

2.3.2 Near Lamellar TiAl的力学行为

2.3.3 Duplex TiAl的力学行为

2.3.4 微观组织对材料力学行为的影响

2.4 本章小结

第3章 TiAl断裂及变形机理的显微分析

3.1 不同组织TiAl在不同温度和应变率下的断裂特征

3.1.1 Near Gamma TiAl的断裂特征

3.1.2 Near Lamellar TiAl的断裂特征

3.1.3 Duplex TiAl的断裂特征

3.1.4 微观组织对材料断裂方式的影响

3.2 不同组织TiAl在不同温度和应变率下的变形机理

3.2.1 Near Gamma TiAl的变形机理

3.2.2 Near Lamellar TiAl的变形机理

3.2.3 Duplex TiAl的变形机理

3.2.4 位错滑移、孪生（包括层错）机制对TiAl动态力学行为的影响

3.3 本章小结

第4章宏观本构模型

4.1 Zerilli-Armstrong模型简介

4.2 TiAl的Z-A模型

4.3 TiAl Z-A模型参数的确定

4.4 TiAl Z-A模型的拟合结果

4.5 本章小结

第5章结论与展望

5.1 本文工作总结

5.2 工作展望

参考文献

附录A

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

TiAl金属间化合物高温动态力学行为及变形机理研究

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