TiC颗粒增强钛基复合材料的内应力对材料机械性能的影响

【摘要】：在颗粒增强钛基复合材料的制备过程中,TiC粒子在钛基复合材料中具有潜在的作用,这是由于它在钛基体中较好的热稳定能力和相对的化学稳定性。但是TiC颗粒和Ti基体之间存在着结构不匹配和热力学不匹配关系,其中热膨胀系数的不匹配使复合材料从高温制备温度和热处理温度冷却到低温状态可导致不同的残余内应力存在。并且这种残余内应力足以影响材料的机械性能。 本文通过X射线sin~2ψ法无损地、简便地对Ti6A14V+7wt%TiC(T64)、Ti3A12.5V+7wt%TiC(T32)及Ti5A12.5Sn2Zr0.5MoNb+3wt%TiC(T650)等三种TiC颗粒增强钛基复合材料进行了不同热处理状态下的残余内应力测试与分析,并以此进行了残余内应力对三种复合材料机械性能的影响、复合材料形变的应力一应变的本构特征、残余内应力对复合材料强化位错的贡献、以及影响复合材料断裂机制进行了研究,由此得到以下结果: (1) 利用X射线sin~2ψ法,分别对不同温度热处理后的T64、T32及T650进行残余内应力分析发现:T64、T32及T650等复合材料在800-900℃以下温度处理和以上温度处理时,基体Ti-α相和TiC颗粒上将感生不同性质的残余内应力,并随着热处理温度的升高,感生残余内应力将逐渐增大,且这一残余内应力的转变温度点随基体材料的变化而有所漂移。根据Eshelby模型得出,在残余内应力的转变温度以下或以上进行热处理,基体钛合金的热膨胀系数和增强相(TiC)的热膨胀系数随热处理温度而变化。 (2) 通过对材料不同热处理的室温拉伸性能、冲击韧性和高周疲劳性能对比分析表明,材料的抗拉强度、冲击韧性和高周疲劳性能随材料中残余内应力的增加而增加。分析表明,由于TiC在复合材料中主承载相的作用,随着TiC颗粒上感生残余压应力的增加,则需要更大的外加载荷同压应力相叠加,才能使复合材料屈服,残余内应力得以释放。 (3) 利用X射线sin~2ψ法测试了T64在不同热处理实验后的本征应力一应变曲线发现:材料在外载荷作用下,增强相TiC上的承受的载荷高于基体Ti-α相,从而证明复合材料在受外加载荷过程中TiC颗粒所起的主承载相作用。 (4) TiC颗粒在复合材料中的本征变形承载载荷小于TiC颗粒的弹性理论变