Ni3Al基定向凝固合金的力學(xué)行為及屈服準則研究.pdf

1、Ni3Al是目前研究最多，最有希望工業(yè)化的金屬間化合物之一。它具有熔點高、比強度高、有較高的高溫強度和蠕變抗力及抗高溫氧化性等優(yōu)異的力學(xué)性能，在航空及民用領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。IC10合金是我國研制的新一代 Ni3Al基定向凝固高溫合金，屬于多相LI2型材料，優(yōu)異的高溫力學(xué)性能使其成為新一代航空發(fā)動機高溫部件用結(jié)構(gòu)材料之一。目前對IC10合金的研究主要是針對其定向凝固方向展開的，其塑性各向異性和拉-壓非對稱性以及屈服行為方面的研究還未

2、見報道。顯然，這些方面的研究具有重要的理論和工程實踐意義。本文以 IC10合金為例，系統(tǒng)地研究了Ni3Al基定向凝固合金的力學(xué)行為，并針對LI2型材料屈服行為的特點，提出并建立了能同時描述材料的塑性各向異性及拉-壓非對稱性的屈服準則。本文的研究工作和得到的主要結(jié)論如下：
　　對IC10合金進行了不同方向的拉伸及壓縮試驗。包括：IC10合金凝固方向298K-1273K溫度范圍內(nèi)的拉伸試驗、室溫下不同晶體取向的拉伸及壓縮試驗。通過這些

3、試驗，研究了IC10合金的屈服應(yīng)力隨溫度及取向的變化規(guī)律，以及塑性各向異性和拉/壓非對稱性。結(jié)果表明：在一定溫度范圍內(nèi)，IC10合金定向凝固方向的屈服強度隨溫度的增加反而升高，在1073K達到一個峰值926MPa，這種屈服反?，F(xiàn)象也存在其他LI2型金屬間化合物中。本文的試驗表明，IC10合金的屈服反常行為相比沒那么顯著，當溫度超過1073K后，IC10合金的屈服強度隨溫度的變化開始急劇下降。在屈服反常溫度范圍內(nèi)，IC10屈服應(yīng)力隨溫度的

4、升高而增大的屈服反常行為機制與螺位錯從{111}面交滑移到{010}面有關(guān)，可以用Kear-Wilsdorf理論進行解釋，超過峰值溫度后屈服應(yīng)力的急劇下降則與{100}平面的宏觀滑移有關(guān)。IC10合金與LI2型單晶在力學(xué)特性細節(jié)上存在差別，這與IC10合金在細觀組織上存在相當大體積含量的?相有關(guān)。另外，IC10合金還具有明顯的塑性各向異性，即其屈服應(yīng)力隨取向的變化而變化。不同取向的拉伸和壓縮試驗表明：IC10合金具有明顯的拉-壓非對稱性

5、，即SD效應(yīng)。
　　采用十字形雙向加載試驗件對定向凝固高溫合金IC10進行了雙向拉伸及壓縮試驗，獲得了材料在雙向拉伸及雙向壓縮應(yīng)力狀態(tài)下的屈服軌跡，并與現(xiàn)有的屈服準則預(yù)測結(jié)果進行了比較。結(jié)果表明：IC10合金的試驗屈服軌跡關(guān)于雙向等拉線呈非對稱性，表現(xiàn)出明顯的塑性各向異性；此外，IC10合金的屈服軌跡還具有明顯的拉-壓非對稱性。各向同性的von Mises屈服準則預(yù)測結(jié)果與IC10合金的試驗屈服軌跡相差甚遠，無法描述其屈服行為。現(xiàn)

6、有的各向異性屈服準則有的可以很好地描述IC10合金在雙向拉伸應(yīng)力狀態(tài)下的屈服行為，但在雙向壓縮區(qū)偏差較大。傳統(tǒng)的各向異性屈服準則一般是基于拉-壓對稱提出的，因此無法描述IC10合金的SD效應(yīng)。
　　基于多相LI2型材料屈服行為的特點，對經(jīng)典的Barlat&Lian準則進行了改進，使其能同時描述材料的塑性各向異性及拉-壓非對稱性。改進的Barlat&Lian準則理論屈服軌跡與IC10合金在平面應(yīng)力狀態(tài)下的屈服試驗結(jié)果對比表明：該準則

7、能很好地描述IC10合金的屈服行為，可以用于描述LI2型材料的屈服行為。
　　針對LI2型材料屈服行為的特點，提出并建立了一個能同時描述材料的塑性各向異性及拉-壓非對稱性的屈服準則。首選構(gòu)造了一個與靜水壓力無關(guān)、能描述材料拉-壓非對稱性的宏觀各向同性屈服準則。該準則只包含一個能用材料拉伸和壓縮屈服應(yīng)力確定的材料常數(shù)c。當材料拉-壓對稱時（c=0），該準則退化為von Mises屈服準則。其次，利用Cazacu的廣義應(yīng)力偏量不變量0

8、2J，將其推廣到正交各向異性，建立了一個能同時描述材料的塑性各向異性及拉-壓非對稱性的宏觀屈服準則。該準則能用于3-D應(yīng)力狀態(tài)，只包含6個表征塑性各向異性及3個表征拉-壓非對稱性的材料常數(shù)。給出了屈服準則材料常數(shù)的計算公式，所有常數(shù)都能通過簡單力學(xué)試驗確定。當材料拉-壓對稱時，該準則退化為Hill二次式屈服準則。因此，本文提出的準則可看作 Hill二次式屈服準則向拉-壓非對稱材料的推廣。對Cu-Al-Be記憶合金及Ni3Al基金屬間化合