TiAl金屬間化合物高溫動(dòng)態(tài)力學(xué)行為及變形機(jī)理研究.pdf

1、目前對(duì)可能成為新一代高溫結(jié)構(gòu)材料的TiAl金屬間化合物的力學(xué)性能的研究主要為TiAl在不同溫度下準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)行為的研究，而對(duì)TiAl的抗沖擊性能的研究還僅僅處于起步階段，且集中于TiAl在不同溫度下動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)行為的研究當(dāng)中。本課題來源于國(guó)家自然科學(xué)基金(項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)90505002)，旨在對(duì)TiAl金屬間化合物的動(dòng)態(tài)高溫拉伸力學(xué)性能和變形機(jī)理進(jìn)行初步的探索。 本文對(duì)高溫沖擊拉伸試驗(yàn)技術(shù)中的加溫技術(shù)進(jìn)行了改造，研制了第四代基于大熱容

2、量溫升極大值原理的快速接觸加溫技術(shù)，從而將最高試驗(yàn)溫度由750℃提高至850℃。 利用該高溫沖擊拉伸試驗(yàn)技術(shù)，在室溫至840℃下對(duì)等軸(NG)、近片層(NL)和雙態(tài)(DP)組織的Ti-46.5Al-2Nb-2Cr在320、800和1350s-1應(yīng)變率下的沖擊拉伸力學(xué)行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究；同時(shí)在MTS809材料試驗(yàn)機(jī)上對(duì)相應(yīng)溫度下應(yīng)變率為0.001s-1的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸力學(xué)行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，三種不同微觀組織的TiAl具有

3、類似的溫度和應(yīng)變率相關(guān)性。BDTT均隨應(yīng)變率的增加而上升。動(dòng)載和靜載下強(qiáng)度(包括屈服應(yīng)力和定應(yīng)變下的流動(dòng)應(yīng)力，下同)的溫度相關(guān)性曲線均被“特征溫度”(NGFiAl約為650℃，其它兩種組織的TiAl約為500℃)和BDTT劃分為Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ三個(gè)區(qū)域；其中在Ⅰ和Ⅲ區(qū)，強(qiáng)度隨溫度的上升而下降，在Ⅱ區(qū)，強(qiáng)度隨溫度的上升幾乎無變化；且動(dòng)載Ⅱ區(qū)的溫度跨度要明顯大于靜載Ⅱ區(qū)的溫度跨度，也即動(dòng)載下強(qiáng)度隨溫度上升而基本不變的溫度跨度要明顯大于靜載下的?？?/p>

4、體上動(dòng)載下材料的強(qiáng)度以及高溫下的失穩(wěn)應(yīng)變?chǔ)舃高于靜載下的強(qiáng)度和高溫下的εb(εb指的是BDTT以下的)，但在本文的高應(yīng)變率加載范圍內(nèi)(320～1350s-1)動(dòng)載下的強(qiáng)度和εb的應(yīng)變率相關(guān)性并不明顯。同時(shí)，動(dòng)態(tài)加載下的硬化率均可看成與溫度和應(yīng)變率無關(guān)。由此可看出，TiAl不僅呈現(xiàn)“高速韌”，而且呈現(xiàn)了高溫高速韌；也就是說材料動(dòng)態(tài)下的高溫綜合力學(xué)性能優(yōu)于準(zhǔn)靜態(tài)下的。必須指出，三種微觀組織的TiAl隨組織中片層晶粒含量的增加(NG→DP→N

5、L)，準(zhǔn)靜態(tài)下的BDTT逐漸升高；動(dòng)態(tài)下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線中屈服點(diǎn)逐漸不明顯，且硬化段也逐漸偏離線性。 SEM斷口分析表明，三種微觀組織的TiAl的斷裂方式具有類似的溫度和應(yīng)變率相關(guān)性。BDTT以下，無論靜載還是動(dòng)載下的材料均為脆性斷裂，且隨溫度的升高，材料的斷裂方式由穿晶解理斷裂方式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐嗔逊绞?；而BDTT以上材料為塑性斷裂，斷口中出現(xiàn)大量韌窩。 TEM顯微分析表明，三種組織的TiAl的變形機(jī)理也具有類似的

6、溫度和應(yīng)變率相關(guān)性。動(dòng)載下試件中的位錯(cuò)密度明顯小于靜態(tài)下的位錯(cuò)密度，而形變孿晶的密度卻明顯高于靜載下的密度；動(dòng)載下與靜載下類似，溫度越高越容易形成孿晶，同時(shí)高溫下形成的形變孿晶均會(huì)貫穿整個(gè)晶粒；但在本文的動(dòng)態(tài)加載范圍內(nèi)(320～1350s-1)，形變孿晶的密度隨應(yīng)變率的增加無明顯變化；且在動(dòng)態(tài)加載下存在一個(gè)類似于上述強(qiáng)度的溫度相關(guān)性曲線中的“II區(qū)域”，在此“II區(qū)域”的溫度范圍內(nèi)形變孿晶的密度基本上不隨溫度的上升而變化。層錯(cuò)不僅在不同

7、溫度動(dòng)載下的試件中的密度明顯的高于靜載下的密度，而且在本文的高應(yīng)變率加載范圍內(nèi)(320～1350s-1)，應(yīng)變率越高越容易出現(xiàn)層錯(cuò)。綜上所述，動(dòng)態(tài)加載下TiAl的變形主要是受孿生(層錯(cuò))機(jī)制控制的，而準(zhǔn)靜態(tài)加載下，TiAl的變形還受位錯(cuò)滑移機(jī)制控制。還必須指出，由于片層晶粒的晶界面積要高于等軸晶粒的，NL組織的晶界間相互運(yùn)動(dòng)在整個(gè)材料的變形過程中占有一定的比例，導(dǎo)致片層晶內(nèi)的孿晶/層錯(cuò)帶的密度要明顯小于NGTiAl以及DPTiAl中等軸

8、晶粒內(nèi)的；而DP組織中的變形主要集中在等軸品粒內(nèi)，而高應(yīng)變加載下DPTiAl的片層晶群內(nèi)幾乎無明顯的變形特征。 孿生(層錯(cuò))機(jī)制TiAl的動(dòng)強(qiáng)度明顯高于靜強(qiáng)度，但在本文的高應(yīng)變率范圍內(nèi)(320～1350s-1)動(dòng)強(qiáng)度與應(yīng)變率的相關(guān)性不明顯。孿生(層錯(cuò))機(jī)制還使得TiAl的硬化段基本成線性(NLTiAl的硬化段受晶界運(yùn)動(dòng)影響有些偏離線性)且與溫度和應(yīng)變率無關(guān)。同時(shí)孿生(層錯(cuò))機(jī)制還可提高材料的塑性，因此BDTT以下相同溫度時(shí)，材料

9、動(dòng)載下的塑性也高于靜載下的塑性。 基于Zerrilli-Armstrong模型，結(jié)合TiAl變形機(jī)理的特征，本文采用了BCC形式的Z-A本構(gòu)模型以描述TiAl的流動(dòng)特性，并給出了確定本構(gòu)模型所用參數(shù)的方法。擬合曲線與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說明該模型能較好地表征三種不同微觀組織的TiAl在350～840℃應(yīng)變率為320～1350s-1下材料的流動(dòng)特性。 總之，本文從宏觀力學(xué)行為以及變形機(jī)理的角度，初步揭示了TiAl有可能成為一