一種新型鋯鈦合金動態(tài)斷裂特性研究.pdf

1、本文以一種新型鋯鈦合金(47Zr-45Ti-5Al-3V)為研究對象，采用動態(tài)拉伸實驗和動態(tài)斷裂韌性實驗來研究材料的動態(tài)斷裂特性。
　　首先利用直接撞擊式Hopkinson拉桿(SHTB)實驗技術(shù)對鋯鈦合金在室溫、應(yīng)變速率為1000s-1～4150s-1的動態(tài)拉伸力學行為進行了實驗研究。實驗結(jié)果表明，鋯鈦合金的平均動態(tài)屈服強度σ0.2=570MPa，平均動態(tài)抗拉強度σb=754MPa，且屈服強度和抗拉強度具有明顯的應(yīng)變率相關(guān)性，它

2、們都隨應(yīng)變率的增加而增大，線性擬合結(jié)果顯示，抗拉強度與應(yīng)變率遵循線性關(guān)系(σb=667.56+0.036ε)，而屈服強度與應(yīng)變率的線性關(guān)系復(fù)雜；鋯鈦合金的平均斷裂伸長率εf=10.3％，失穩(wěn)應(yīng)變和斷裂伸長率均隨應(yīng)變率的增加而增大，呈現(xiàn)出“高速韌性”的特點；由能量分析導(dǎo)出其平均動態(tài)破壞能密度為56.3J/mm3，在整個應(yīng)變率范圍內(nèi)，合金的應(yīng)變能密度隨應(yīng)變率的增加而增大。對回收試樣斷口進行了SEM分析，結(jié)果表明：隨應(yīng)變率的提高，材料的斷裂方

3、式由準解理斷裂變?yōu)轫g性斷裂，材料的斷裂機理為微孔聚集斷裂。對試樣的縱截面進行金相和SEM觀察發(fā)現(xiàn)，隨應(yīng)變率的增大，片層狀α晶粒的平均粒徑降低，α晶粒沿平行于拉伸方向排列取向，這種取向有利于提高材料的斷裂伸長率；對試樣進行TEM分析發(fā)現(xiàn)，位錯線密度以及位錯滑移量隨應(yīng)變率的增大而提高，形成亞晶粒的能力增強，而形變孿晶密度隨應(yīng)變率增大而降低。鋯鈦合金的變形機理由較低應(yīng)變率下的位錯滑移機制和形變孿生共同作用機制變?yōu)檩^高應(yīng)變率下位錯滑移機制。

4、r>　　利用分離式Hopkinson壓桿(SHPB)實驗加載技術(shù)對預(yù)缺口的半圓盤彎曲試樣進行Ⅰ型動態(tài)斷裂實驗，測量了包括起裂韌度、斷裂能、傳播韌度在內(nèi)的三個重要的斷裂參數(shù)，并對其加載速率的相關(guān)性進行研究。結(jié)果表明：鋯鈦合金的平均起裂韌度、平均傳播韌度和平均斷裂能分別為89.1MPa·m1/2、86.3MPa·m1/2和6.54×104MPa·m，起裂韌度和傳播韌度都隨加載速率的增大而降低，傳播韌度略小于起裂韌度。通過對動態(tài)斷裂實驗回收試

5、樣的斷口進行SEM觀察發(fā)現(xiàn)，鋯鈦合金在所有工況下的斷裂方式為穿晶韌性斷裂，材料的斷裂機理為微孔聚集斷裂，即材料的斷裂是由裂紋的形核和擴展造成的。在裂紋擴展連接過程中出現(xiàn)兩種途徑：內(nèi)頸縮會合和剪切型(之字形)擴展。后者與前者相比增大了裂紋擴展路徑，使斷裂過程消耗更大的能量，斷裂韌性更大。
　　由能量率的對比分析發(fā)現(xiàn)，SHTB動態(tài)拉伸斷裂實驗得到的鋯鈦合金斷裂能量率G平均值為G=17.35KPa·m，與動態(tài)斷裂韌性實驗得到的斷裂能G=