TiAl金屬間化合物高溫動態(tài)力學行為及變形機理研究.pdf

1、目前對可能成為新一代高溫結構材料的TiAl金屬間化合物的力學性能的研究主要為TiAl在不同溫度下準靜態(tài)力學行為的研究，而對TiAl的抗沖擊性能的研究還僅僅處于起步階段，且集中于TiAl在不同溫度下動態(tài)壓縮力學行為的研究當中。本課題來源于國家自然科學基金(項目批準號90505002)，旨在對TiAl金屬間化合物的動態(tài)高溫拉伸力學性能和變形機理進行初步的探索。 本文對高溫沖擊拉伸試驗技術中的加溫技術進行了改造，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，從而將最高試驗溫度由750℃提高至850℃。 利用該高溫沖擊拉伸試驗技術，在室溫至840℃下對等軸(NG)、近片層(NL)和雙態(tài)(DP)組織的Ti-46.5Al-2Nb-2Cr在320、800和1350s-1應變率下的沖擊拉伸力學行為進行了實驗研究；同時在MTS809材料試驗機上對相應溫度下應變率為0.001s-1的準靜態(tài)拉伸力學行為進行了實驗研究。試驗結果表明，三種不同微觀組織的TiAl具有

3、類似的溫度和應變率相關性。BDTT均隨應變率的增加而上升。動載和靜載下強度(包括屈服應力和定應變下的流動應力，下同)的溫度相關性曲線均被“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三個區(qū)域；其中在Ⅰ和Ⅲ區(qū)，強度隨溫度的上升而下降，在Ⅱ區(qū)，強度隨溫度的上升幾乎無變化；且動載Ⅱ區(qū)的溫度跨度要明顯大于靜載Ⅱ區(qū)的溫度跨度，也即動載下強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、體上動載下材料的強度以及高溫下的失穩(wěn)應變εb高于靜載下的強度和高溫下的εb(εb指的是BDTT以下的)，但在本文的高應變率加載范圍內(nèi)(320～1350s-1)動載下的強度和εb的應變率相關性并不明顯。同時，動態(tài)加載下的硬化率均可看成與溫度和應變率無關。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；也就是說材料動態(tài)下的高溫綜合力學性能優(yōu)于準靜態(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)，準靜態(tài)下的BDTT逐漸升高；動態(tài)下的真應力-真應變曲線中屈服點逐漸不明顯，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變率相關性。BDTT以下，無論靜載還是動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的變形機理也具有類似的

6、溫度和應變率相關性。動載下試件中的位錯密度明顯小于靜態(tài)下的位錯密度，而形變孿晶的密度卻明顯高于靜載下的密度；動載下與靜載下類似，溫度越高越容易形成孿晶，同時高溫下形成的形變孿晶均會貫穿整個晶粒；但在本文的動態(tài)加載范圍內(nèi)(320～1350s-1)，形變孿晶的密度隨應變率的增加無明顯變化；且在動態(tài)加載下存在一個類似于上述強度的溫度相關性曲線中的“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。層錯不僅在不同

7、溫度動載下的試件中的密度明顯的高于靜載下的密度，而且在本文的高應變率加載范圍內(nèi)(320～1350s-1)，應變率越高越容易出現(xiàn)層錯。綜上所述，動態(tài)加載下TiAl的變形主要是受孿生(層錯)機制控制的，而準靜態(tài)加載下，TiAl的變形還受位錯滑移機制控制。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動在整個材料的變形過程中占有一定的比例，導致片層晶內(nèi)的孿晶/層錯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)機制TiAl的動強度明顯高于靜強度，但在本文的高應變率范圍內(nèi)(320～1350s-1)動強度與應變率的相關性不明顯。孿生(層錯)機制還使得TiAl的硬化段基本成線性(NLTiAl的硬化段受晶界運動影響有些偏離線性)且與溫度和應變率無關。同時孿生(層錯)機制還可提高材料的塑性，因此BDTT以下相同溫度時，材料

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