一種新型鋯鈦合金動(dòng)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(duì)象，采用動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)斷裂韌性實(shí)驗(yàn)來(lái)研究材料的動(dòng)態(tài)斷裂特性。
　　首先利用直接撞擊式Hopkinson拉桿(SHTB)實(shí)驗(yàn)技術(shù)對(duì)鋯鈦合金在室溫、應(yīng)變速率為1000s-1～4150s-1的動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鋯鈦合金的平均動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度σ0.2=570MPa，平均動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度σb=754MPa，且屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)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(qiáng)度與應(yīng)變率遵循線性關(guān)系(σb=667.56+0.036ε)，而屈服強(qiáng)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(zhǎng)率εf=10.3％，失穩(wěn)應(yīng)變和斷裂伸長(zhǎng)率均隨應(yīng)變率的增加而增大，呈現(xiàn)出“高速韌性”的特點(diǎn)；由能量分析導(dǎo)出其平均動(dòng)態(tài)破壞能密度為56.3J/mm3，在整個(gè)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(duì)回收試樣斷口進(jìn)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(zhǔn)解理斷裂變?yōu)轫g性斷裂，材料的斷裂機(jī)理為微孔聚集斷裂。對(duì)試樣的縱截面進(jìn)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(zhǎng)率；對(duì)試樣進(jìn)行TEM分析發(fā)現(xiàn)，位錯(cuò)線密度以及位錯(cuò)滑移量隨應(yīng)變率的增大而提高，形成亞晶粒的能力增強(qiáng)，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(jī)理由較低應(yīng)變率下的位錯(cuò)滑移機(jī)制和形變孿生共同作用機(jī)制變?yōu)檩^高應(yīng)變率下位錯(cuò)滑移機(jī)制。

4、r>　　利用分離式Hopkinson壓桿(SHPB)實(shí)驗(yàn)加載技術(shù)對(duì)預(yù)缺口的半圓盤(pán)彎曲試樣進(jìn)行Ⅰ型動(dòng)態(tài)斷裂實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了包括起裂韌度、斷裂能、傳播韌度在內(nèi)的三個(gè)重要的斷裂參數(shù)，并對(duì)其加載速率的相關(guān)性進(jìn)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(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)斷裂實(shí)驗(yàn)回收試

5、樣的斷口進(jìn)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(jī)理為微孔聚集斷裂，即材料的斷裂是由裂紋的形核和擴(kuò)展造成的。在裂紋擴(kuò)展連接過(guò)程中出現(xiàn)兩種途徑：內(nèi)頸縮會(huì)合和剪切型(之字形)擴(kuò)展。后者與前者相比增大了裂紋擴(kuò)展路徑，使斷裂過(guò)程消耗更大的能量，斷裂韌性更大。
　　由能量率的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，SHTB動(dòng)態(tài)拉伸斷裂實(shí)驗(yàn)得到的鋯鈦合金斷裂能量率G平均值為G=17.35KPa·m，與動(dòng)態(tài)斷裂韌性實(shí)驗(yàn)得到的斷裂能G=