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TiAl合金的损伤和断裂过程的研究

姚海军  
【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。


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