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γ-TiAl基合金的损伤及断裂行为研究

曹睿  
【摘要】:γ-TiAl金属间化合物作为侯选的航空材料,它具有相当低的密度、高的高温强度和蠕变抗力等独特性能,受到人们的广泛重视,但是其室温塑性、断裂韧性及抵抗裂纹扩展的能力都很低,同时γ-TiAl基合金在很小载荷下就产生很大程度的损伤,这极大地限制了其在工程上的使用。因此,这就需要结合细观断裂力学、断裂物理与损伤力学对γ-TiAl基合金的断裂机理、断裂过程、韧化机理、拉伸性能与断裂韧性之间相反关系的本质机理以及微裂纹损伤的作用进行深入的研究。 本论文采用光学显微镜、扫描电镜、透射电镜以及拉伸试验机等仪器,对以上提到的这些内容进行了研究。 论文对典型γ-TiAl基合金的断裂机理、断裂过程以及韧化机理进行了详细的研究,结果表明:裂纹优先产生于层间,层间是最薄弱的环节,沿层断裂的强度低于穿层断裂的强度,沿层裂纹在弹性范围内起裂并扩展。解理裂纹起裂与扩展的驱动力是拉伸应力,而不是剪切应力或者塑性应变。预裂纹或缺口试样的断裂过程是:几个沿层裂纹直接起裂于预裂纹尖端或缺口根部,并沿着缺口根部的层间及晶粒边界扩展,一旦遇到位向不利的障碍晶粒时,裂纹就停在障碍晶粒边界上。随着拉伸应力的增加,主裂纹进一步穿层扩展并穿过障碍晶粒。裂纹尖端的超钝化、分叉、沿层偏转,形成了显微裂纹区,裂纹停在层位相与裂纹扩展方向不利的障碍晶粒边界处或障碍晶粒与γ晶粒的边界,这些现象都减少了裂纹扩展的动力,使得裂纹扩展比较困难,引起材料的韧化。 通过对定向凝固形成的全层组织γ-TilAl基合金的拉伸、原位拉伸、预损伤后卸载试验以及预损伤后断裂试验的综合研究,可得出裂纹扩展阻力曲线的强化机制来源于两个方面:其一是由于表面裂纹并没有穿透试样的整个厚度,要使裂纹沿着厚度方向进一步扩展,必须增加外加应力:其二是当裂纹从沿层方向进入穿层方向开裂、扩展或者相反时才出现裂纹扩展阻力的变化。定向凝固γ-TiAl基合金材料发生损伤的主要原因是在拉伸时试样内部产生大量的微裂纹,产生的微裂纹导致材料损伤,同时在材料内部产生了不可恢复的应变。论文提出裂纹面密度可以作为衡量γ-TiAl基合金损伤的一个基本参量,微裂纹损伤的作用表现为体积效应和面积效应。不同程度的损伤使得材料的弹性模量即刚度下降,弹性模量的降低取决于在预加载过程中整个试样长度范围内所产生的微裂纹引起的损伤程度,即体积效应。在最薄弱面上产生的微裂纹决定了最终的断裂载荷,即面积效应。 通过另一批典型γ-TiAl基合金连续循环加载的拉伸试验,微裂纹损伤对断裂行为的影响进一步得到了研究。论文分析了在载荷控制下微裂纹损伤引起的两种效应的作用,在载荷控制的拉伸试验中,微裂纹损伤引起的面积效应是可见的,在较高预载荷下在最薄弱横截面上产生的微裂纹损伤降低了试样的断裂应力,然而微裂纹损伤的体积效应在


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