TiAl合金的损伤和断裂过程的研究

【摘要】：TiAl基合金作为一种新型的高温结构材料应用于航天、航空和汽车发动机的高温部件，具有较高的比强度、低密度、高温力学性能高和抗高温氧化能力强等优点。但是，具有较低的抗损伤能力、低的室温延性和断裂韧性等缺陷，阻碍了它的实际应用，因此研究它的室温断裂机理是有重要的意思。 本文通过对各种试件机械性能的测定；拉伸试件的原位观察和相应断口形貌的观察；对光滑拉伸试件的系列卸载实验，并且通过各种试样的FEM模拟计算以及TEM照片的分析研究了全层TiAl基合金的室温断裂机理。通过这些实验可知：全层状TiAl基合金拉伸和压缩曲线产生很大的分离，这是因为拉伸时产生的大量微裂纹导致了材料损伤所致；全层TiAl基合金的大量微裂纹出现在弹性阶段，驱动力为拉伸应力；由于定向凝固的时间材料，其拉伸轴和层团位向基本一致时，其断裂方式是穿层断裂并带有少量的沿层断裂；层状TiAl合金缺口试件的断裂过程为原始裂纹不断扩展直至最终断裂。无缺口拉伸试件时产生大量微裂纹，剩余面积强化最终断裂。 通过不同载荷卸载实验的研究，初步分析了TiAl基合金的损伤问题，并且通过实验，得出了损伤的成因，能够比较准确描述TiAl基合金的损伤的参数为裂纹总数M_(crack)；并初步研究相应损伤参数对TiAl基合金材料性能的影响，当载荷达到一定值时，裂纹总数已经达到饱和，材料的性能弱化，材料弱化表现在几个方面：弹性模量下降，刚度下降，断裂能量下降，断裂所需能量变小，在同样应力下损伤严重了；材料发生损伤的同时，材料内部出现位错的滑移，层错，并形成位错胞等的变形亚结构，由于层错不断重叠形成了变形孪晶；由于位错网络的形成，造成严重的加工硬化，但是材料的最终断裂强度σ_b却不因材料损伤的不同而变化。