變形量對(TiB+La2O3)-Ti復(fù)合材料組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能影響的研究.pdf

1、近些年來，鈦基復(fù)合材料以其優(yōu)異的性能引起了人們的廣泛關(guān)注，成為材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。鈦基復(fù)合材料熱加工參數(shù)，例如變形溫度、變形速率以及變形量等，對鈦基復(fù)合材料的微觀組織以及力學(xué)性能具有強(qiáng)烈影響，但是對于這些方面的研究還不夠系統(tǒng)和深入，特別是變形量對鈦基復(fù)合材料的影響，尚未見該領(lǐng)域的詳細(xì)報(bào)道。針對這一研究不足，本論文開展了一系列的研究。通過微觀組織觀察、織構(gòu)測定、室溫高溫力學(xué)性能測試以及模擬計(jì)算等方式，分析了變形量對鈦基復(fù)合材料的微觀組織、

2、織構(gòu)以及力學(xué)性能的影響，主要取得以下的研究成果:
　　 利用原位自生的方法制備了TiB短纖維以及La2O3顆粒增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料，并對其進(jìn)行變形量分別為40％，60％，80％，90％以及95％的熱軋制加工。探索了β熱處理溫度對鈦基復(fù)合材料的微觀組織和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著β熱處理溫度的提高，鈦基復(fù)合材料的原始β晶粒長大，但是α片集團(tuán)的尺寸降低。室溫條件下，β熱處理后的復(fù)合材料的斷裂機(jī)制為脆性解理斷裂;高溫條件下，鈦基復(fù)合材料的

3、斷裂為韌性斷裂。鈦基復(fù)合材料的室溫拉伸強(qiáng)度隨著熱處理溫度的提高而提高，這可歸結(jié)為α片集團(tuán)的尺寸降低;高溫拉伸強(qiáng)度隨熱處理溫度的提高而降低，分析表明，高溫拉伸強(qiáng)度主要受到原始β晶粒尺寸的影響，隨原始β晶粒尺寸的降低，鈦基復(fù)合材料的高溫拉伸強(qiáng)度提高。
　　 變形量對熱處理后的(TiB+La2O3)/Ti復(fù)合材料的微觀組織具有重要的影響，隨著變形量的提高，復(fù)合材料的原始β晶粒以及α片群的尺寸均會(huì)降低。隨著變形量的提高，TiB短纖維在軋

4、制過程中發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，采用概率密度函數(shù)量化了TiB短纖維的軸向相對于軋制方向取向角的概率密度分布。模擬計(jì)算了鈦基復(fù)合材料的室溫拉伸屈服強(qiáng)度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，q=1.25的時(shí)候，鈦基復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果相符的較好，這表明在鈦基復(fù)合材料中，TiB短纖維的強(qiáng)化效果與La2O3顆粒的強(qiáng)化效果之間的疊加法則接近簡單的線性疊加關(guān)系。計(jì)算了不同變形量下TiB短纖維，La2O3顆粒以及晶粒細(xì)化對鈦基復(fù)合材料室溫拉伸屈服強(qiáng)度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn):細(xì)晶強(qiáng)化是鈦基

5、復(fù)合材料中主要的強(qiáng)化機(jī)制，其對鈦基復(fù)合材料室溫屈服強(qiáng)度的提高效果最明顯;TiB短纖維的轉(zhuǎn)動(dòng)也提高了鈦基復(fù)合材料的室溫屈服強(qiáng)度，當(dāng)變形量比較低時(shí)，短纖維轉(zhuǎn)動(dòng)對鈦基復(fù)合材料屈服強(qiáng)度提高的效果比較明顯，當(dāng)變形量較高時(shí)（超過90％)，短纖維轉(zhuǎn)動(dòng)的強(qiáng)化效果有限。同時(shí)，計(jì)算結(jié)果表明，La2O3顆粒的應(yīng)力承載作用有限，其承載的應(yīng)力僅為位錯(cuò)強(qiáng)化效果的1/9，這表明當(dāng)鈦基復(fù)合材料中的增強(qiáng)顆粒為納米級別的時(shí)候，位錯(cuò)強(qiáng)化機(jī)制起到主導(dǎo)作用。
　　 鈦基

6、復(fù)合材料在650℃的高溫拉伸強(qiáng)度以及斷裂延伸率均隨著變形量的提高而提高。變形量為95％的鈦基復(fù)合材料的強(qiáng)度比變形量為60％的鈦基復(fù)合材料提高了30.81MPa，斷裂延伸率提高了2.39％。采用計(jì)算的方法研究了增強(qiáng)體以及微觀組織對鈦基復(fù)合材料的高溫拉伸強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)TiB短纖維增強(qiáng)體的轉(zhuǎn)動(dòng)以及微觀組織的細(xì)化是鈦基復(fù)合材料高溫拉伸強(qiáng)度提高的主要原因。探討了TiB短纖維以及La2O3顆粒的強(qiáng)化效果之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)q=2的時(shí)候，計(jì)算得到的鈦

7、基復(fù)合材料的高溫拉伸強(qiáng)度和實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)基本相符，表明在高溫下，TiB短纖維的強(qiáng)化效果和La2O3顆粒的強(qiáng)化效果滿足畢達(dá)哥拉斯疊加法則。研究了La2O3顆粒和基體之間的熱膨脹系數(shù)之差Δα對鈦基復(fù)合材料的高溫拉伸強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)盡管La2O3顆粒的體積分?jǐn)?shù)非常低，Δα對鈦基復(fù)合材料的高溫強(qiáng)度的影響仍然較為明顯。
　　 隨著變形量的提高，鈦基復(fù)合材料在650℃，150MPa以及300MPa的穩(wěn)態(tài)蠕變速率先降低后提高。TiB短纖維朝軋

8、制方向的轉(zhuǎn)動(dòng)可以提高鈦基復(fù)合材料中TiB短纖維的應(yīng)力傳遞效果，降低鈦基復(fù)合材料的蠕變速率。鈦基復(fù)合材料蠕變后的微觀組織觀察顯示:α片晶界處位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)頻繁，位錯(cuò)的密度高，這表明晶界的滑動(dòng)是鈦基復(fù)合材料蠕變變形的重要機(jī)制，隨著變形量的提高，鈦基復(fù)合材料中α片集團(tuán)的尺寸以及α片晶粒的厚度降低，材料中α片晶界的數(shù)量上升，所以材料的蠕變速率提高;α片晶界可以向晶內(nèi)發(fā)射位錯(cuò)環(huán)，所以α片晶界的數(shù)量越高，材料的蠕變速率越高;除此之外，隨著α片集團(tuán)的尺寸以

9、及α片厚度的降低，鈦基復(fù)合材料中α片晶界也可以阻礙晶內(nèi)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和增殖，同時(shí)還可以起到類似第二相顆粒的作用釘扎晶內(nèi)位錯(cuò)，這種作用降低了復(fù)合材料的蠕變速率;隨著α片厚度的降低，鈦基復(fù)合材料中α片晶界還可以阻礙其向晶內(nèi)發(fā)射位錯(cuò)。正是由于上述因素矛盾統(tǒng)一的作用導(dǎo)致鈦基復(fù)合材料的穩(wěn)態(tài)蠕變速率隨著變形量的提高表現(xiàn)出先降低后提高的趨勢。
　　 40％以及95％軋制鈦基復(fù)合材料中均存在較為明顯的織構(gòu)。在40％軋制鈦基復(fù)合材料中，塑性變形起到主

10、要的作用，其織構(gòu)主要為變形織構(gòu)，然而，在95％軋制的鈦基復(fù)合材料中，再結(jié)晶織構(gòu)成為主要成分。在40％軋制的鈦基復(fù)合材料中，并沒有檢測到轉(zhuǎn)變?chǔ)量棙?gòu)，但是在95％軋制的鈦基復(fù)合材料中，存在強(qiáng)度較弱的轉(zhuǎn)變?chǔ)量棙?gòu)。分析了增強(qiáng)體對鈦基復(fù)合材料的織構(gòu)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn):不論是熱軋還是β熱處理之后的鈦基復(fù)合材料，[11-20]||RD纖維織構(gòu)的強(qiáng)度均隨著變形量的提高而提高。這種現(xiàn)象可以歸結(jié)為以下原因:鈦基復(fù)合材料中，TiB短纖維的晶粒取向和鈦基體晶粒取

11、向存在以下的位相關(guān)系:[11-20]Ti||[010]TiB同時(shí)，計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)觀察表明:TiB短纖維在軋制過程中，隨著變形量的提高，其軸向和軋制方向的夾角變小，在95％軋制的鈦基復(fù)合材料中，絕大部分增強(qiáng)體的軸向已經(jīng)和軋制方向平行。TiB短纖維沿著[010]TiB的取向成長為短纖維狀，這表明其軸向與晶粒的[010]TiB一致。TiB短纖維和鈦基體之間特殊的位相關(guān)系以及TiB短纖維在軋制過程中的轉(zhuǎn)動(dòng)，造成了鈦基復(fù)合材料中[11-20]||R