Ti-Ni基塊體非晶復(fù)合材料的力學(xué)性能與強(qiáng)韌化研究.pdf

1、本文選擇具有形狀記憶效應(yīng)和較強(qiáng)非晶形成能力的Ti-Ni合金體系，采用真空磁懸浮熔煉-負(fù)壓銅模吸鑄法，通過(guò)組元調(diào)控與微合金化制備具有組織連續(xù)梯度的形狀記憶合金/非晶基復(fù)合材料，研究其組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)行為，分析了形狀記憶晶相對(duì)非晶基體的韌塑化作用。通過(guò)對(duì)Ti-Ni-Cu三元合金進(jìn)行組元調(diào)控，得到(Ti0.5Ni0.5)80 Cu20合金試樣，其組織中為非晶基體加過(guò)冷奧氏體相B2-Ti(Ni, Cu)和熱致馬氏體相B19’-Ti(Ni, Cu)

2、，而無(wú)其他金屬間化合物相。合金的力學(xué)性能優(yōu)異，斷裂強(qiáng)度為2246MPa，壓縮塑性應(yīng)變達(dá)到12.2%。合金凝固過(guò)程的溫度梯度決定了復(fù)合材料的組織梯度，由表及里，主要為非晶相、馬氏體相和樹(shù)枝晶奧氏體相。加載時(shí)形變誘導(dǎo)相變對(duì)非晶基體同時(shí)增強(qiáng)增韌，復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能優(yōu)異，以連續(xù)屈服和強(qiáng)烈的加工硬化為主要特征；其斷裂表面存在大量密集均勻的脈絡(luò)紋，析出相周圍形成的多重剪切帶和玻璃基體上剪切帶，擴(kuò)展方向分別與加載方向呈約90°和45°角；復(fù)合材料

3、由表及里呈現(xiàn)出蠕變量、塑性變形逐漸增大而納米硬度逐漸減小的變化趨勢(shì)。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴在Ti-Ni-Cu-Zr四元合金中分別以Cu替代Ni、以Zr替代Ni進(jìn)行組元調(diào)控，得到Ti45Zr5CuXNi50-X(x=5,10,15,20,25,30,35,40)和 Ti40Cu20 Ni40-XZrX(x=2,4,6,8,10,12)合金成分體系。發(fā)現(xiàn)在Ti45Zr5CuxNi50-X系合金中，隨著Cu含量的增加，析出的形狀記

4、憶晶相體積分?jǐn)?shù)以及復(fù)合材料的強(qiáng)度、塑性都呈先減小后增大的“V”型趨勢(shì)變化，當(dāng)X=5時(shí)合金具有最佳力學(xué)性能，斷裂強(qiáng)度為2485MPa，塑性變形能力達(dá)到16%。在Ti40Cu20Ni40-XZrX系合金中， X=10時(shí)，合金的綜合力學(xué)性能最優(yōu)，表現(xiàn)為屈服強(qiáng)度1180MPa，斷裂強(qiáng)度高達(dá)2300MPa，塑性變形達(dá)到11.6%，且斷裂強(qiáng)度遠(yuǎn)高于屈服強(qiáng)度，沒(méi)有出現(xiàn)應(yīng)力誘發(fā)相變平臺(tái)，以連續(xù)屈服和強(qiáng)烈的加工硬化為主要特征。當(dāng)通過(guò)添加稀土元素Ce，由T

5、i-Ni-Cu三元合金得到Ti40-xCexNi40Cu20（x=0.2,0.4,0.6,0.8,1.0）系成分合金。在體系組元中，稀土元素Ce具有最大的原子半徑和很大的與Ti、Ni的負(fù)混合熱，較之Ti45Zr5CuxNi50-X系四元合金，合金系具有更為優(yōu)異的力學(xué)性能；X=0.2時(shí)，合金具有最佳綜合力學(xué)性能，斷裂強(qiáng)度為2500MPa，塑性應(yīng)變?yōu)?2.0%；X=0.4時(shí)合金的塑性最高(14.5%)且強(qiáng)度達(dá)到2400MPa。⑵在(Ti0.

6、5Ni0.48M0.02)80Cu20(M=Fe、Ce、Zr)合金系中，研究了微合金化對(duì)合金相變和加工硬化行為的影響規(guī)律。在鑄態(tài)合金組織中析出相主要為B2-Ti(Ni, Cu)過(guò)冷奧氏體相和B19’-Ti(Ni, Cu)熱致馬氏體相，材料為非晶復(fù)合結(jié)構(gòu)。壓應(yīng)力加載斷裂后各試樣的馬氏體衍射峰比鑄態(tài)增強(qiáng)，與斷裂前相比，應(yīng)力加載后部分奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，馬氏體析出量明顯增加，且相對(duì)于壓應(yīng)力方向的馬氏體擇優(yōu)取向，即應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變。三種合金都

7、有較為優(yōu)異的壓縮力學(xué)性能，合金化元素M的改變(M=Fe、Ce、Zr)，對(duì)合金力學(xué)性能和相變機(jī)制影響顯著。由真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線分析了三種合金的加工硬化行為，發(fā)現(xiàn)在加工硬化速率-真應(yīng)變曲線和瞬時(shí)加工硬化速率-真應(yīng)變曲線中，復(fù)合材料的加工硬化行為可大致分為三個(gè)階段。M=Fe的合金加工硬化速率、平均加工硬化指數(shù)n和瞬時(shí)加工硬化指數(shù)n*在合金體系中最大，加工硬化能力最強(qiáng)，復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度最低(920MPa)，塑性最好(13.1%)，平均加工硬化