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基于DIC技术的Ti-Al层状复合材料变形特性研究

黄猛  
【摘要】:局域应变分布对Ti-Al层状复合材料塑性变形有很大影响。本论文采用热轧制复合法制备微米级Ti-Al层状复合材料,通过扫描电镜、透射电镜等,对Ti-Al层状复合材料进行组织分析和力学性能测试,研究层状结构参数对Ti-Al层状复合材料的影响。采用DIC技术,从局域应变分布角度研究Ti-Al层状金属材料的塑性变形特性:宏观尺度上建立不同宏观应变量下局域应变分布的关系;在微观上定量表征特定区域(界面)的局域应变随着塑性变形进行的影响规律,从局域应变分布角度,揭示层状金属材料强韧化本质原因。采用热压-轧制工艺制备了等层厚比、不同层厚的Ti-Al层状复合材料,层厚为480-480μm、240-240μm、100-100μm、60-60μm四种体系。采用SEM对层状Ti-Al复合板的微观组织进行观察发现,Ti-Al层状复合材料各组元层厚最均匀,且界面平直、无缝隙,界面结合良好。通过EBSD分析得到,层状Ti-Al复合板Ti层织构主要为0002//ND基面织构。通过TEM分析,观察到了界面中间层Ti Al3,尺寸在100nm。通过室温拉伸试验,测试了原始Ti层和不同层厚的Ti-Al复合板的室温拉伸性能。随着层厚的增加,Ti-Al层状复合材料的抗拉强度以及延伸率都呈增大趋势,延伸率随着层厚增加从33%至38%;抗拉强度从246MPa至330MPa,强度提高了大约35%。在宏观尺度基于DIC的原位拉伸,单层Ti和Ti-Al层状复合材料的局域应变随宏观应变量的分布规律;从塑性变形局域应变分布演化规律上看,局域应变分布扩展路径的长短,是衡量材料塑性变形能力的重要标志;横向局域应变分布梯度是导致材料颈缩失效的原因;切应变分布与材料断裂有很大关系。研究了局域应变增加速率对层状材料塑性变形的影响,局域应变增加速率高,材料塑性流动能力低,更容易产生局域应变集中,导致材料失效断裂。通过微观尺度基于DIC的原位拉伸,观察到了特定界面区域的局域应变分布规律,在Ti-Al层状复合材料塑性变形过程中Ti和Al界面是容易出现局域应变集中的区域。通过同步辐射原位观察到了裂纹萌生扩展情况,断裂机制如下:起初变形不协调差异容易导致微裂纹在界面产生,随着不协调加剧,裂纹沿界面扩展。Ti出现塑形失稳,界面裂纹在Al不断加工硬化时,往Ti方向扩展。当裂纹向Ti层扩展到一定程度,Al层形变强化阶段结束,也进入塑形失稳,Ti层裂纹尖端得到Al层应力释放,终止了扩展,直到Al层塑形失稳终止,界面裂纹贯穿Al层,然后贯穿出区域应力得到释放,引起临近层的应力集中,裂纹贯穿扩展断裂,直至最终材料断裂。


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