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TiAl金属间化合物断裂机理的研究

曹睿  
【摘要】: TiAl基合金比强度高,是最具潜力的航空、航天用高温结构材料之一,但因其具有较低的抗损伤能力,较低的室温塑性、断裂韧性和高裂纹扩展速率,这些断裂特性阻碍了这种材料的应用,因而仍有必要研究其断裂机理。另外随着晶粒尺寸的增加TiAl基合金的室温塑性与断裂韧性呈现相反依赖关系,这种相反依赖关系的本质至今还不是很清楚,要解决这些问题,也必须搞清楚其断裂机理。 本文通过光滑试件机械性能的测定,原位拉伸试件的表面观察、相应的断口观察及有限元计算;缺口弯曲宏观参数的测定、断口观察及其有限元计算;裂纹弯曲参数的测定、裂纹卸载试样剖面的观察及其有限元模拟与计算研究了TiAl基合金全层组织和双态组织的室温断裂机理。在这些实验与模拟计算的基础上,我们初步分析了TiAl基合金室温断裂机理,得到了以下几个方面的结论:这种材料的拉伸与压缩性能存在很大差异,拉伸性能远低于压缩性能,在拉伸时测得比较差的性能是由于材料在很小载荷拉伸时产生微裂纹,导致了材料的损伤;大量微裂纹产生于弹性阶段,其驱动力是拉伸应力,而不是剪切应力或者塑性应变;沿层强度低于穿层强度,甚至低于屈服强度;双态组织的拉伸性能高于全层组织,而双态组织的断裂韧性低于全层组织,这与晶粒尺寸的大小有一定的关系;双态组织的断裂形态表现出更多的沿晶粒边界断裂和小沿层面断裂,而全层组织中表现出更多的穿层断裂;疲劳裂纹的断裂形态与加载过程中产生的裂纹断裂形态没有本质差别,加载过程中产生的裂纹是疲劳裂纹的延续,是逐渐扩展的过程;无论缺口试件,裂纹试件还是光滑试件,都是逐渐扩展的过程,所以解理断裂为扩展控制,控制的因素为拉伸应力;裂纹扩展时遇到取向不利的经历而引起裂纹尖端的超钝化,分叉,方向偏移是其主要的韧化机理,在裂纹很短时表现出上升的阻力曲线。


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