γ-TiAl基合金的损伤及断裂行为研究

论文摘要

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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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 材料特点及应用背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 γ-TiAl基合金的发展史

1.2.2 相图、结构及组织特征

1.2.3 显微结构对断裂韧性及其它性能影响的研究

1.2.4 加载率、温度、环境对 TiAl基合金断裂行为的研究

1.2.5 断裂过程及断裂机理的研究

1.2.5.1 断裂过程的研究

1.2.5.2 断裂机理的研究

1.2.6 变形、断裂行为的研究

1.2.7 韧化机理的研究

1.2.8 裂纹扩展的数字化模拟研究

1.2.9 损伤的研究以及课题的提出

1.3 本文的研究意义

1.4 本文的研究内容和研究方案

第二章 γ-TiAl基合金断裂机理的研究

2.1 前言

2.2 试验材料及方法

2.2.1 试验材料

2.2.2 试验方法

2.2.2.1 机械性能试验（拉伸试验和压缩试验）

2.2.2.2 原位拉伸试验

2.2.2.3 三点弯曲（3PB）断裂试验

2.2.2.4 系列卸载三点弯曲（ 3PB）试验

2.2.2.5 四点弯曲（4PB）试验

2.2.3 ABAQUS简介及网格程序设计

2.3 试验结果及分析

2.3.1 机械性能试验结果及分析

2.3.2 原位拉伸试验结果及分析

2.3.2.1 直缺口试样的原位拉伸结果及分析

2.3.2.2 V型缺口试样的原位拉伸结果及分析

2.3.2.3 圆缺口试样的原位拉伸结果及分析

2.3.2.4 有限元计算结果

2.3.3 三点弯曲卸载试验结果及分析

2.3.4 三点弯曲断裂试验结果及分析

2.3.5 四点弯曲断裂试验结果及分析

2.4 讨论

2.4.1 断裂机理及断裂过程

2.4.2 韧化机制

2.4.3 拉伸性能与断裂韧性的比较

2.4.4 缺口的作用

2.5 本章小结

第三章 γ-TiAl基合金裂纹扩展阻力强化机制的研究

3.1 前言

3.2 试验材料及方法

3.2.1 试验材料

3.2.2 试验试样

3.2.3 试验内容

3.3 试验结果及分析

3.3.1 有较大上升段的裂纹扩展阻力曲线对应试样的结果及分析

3.3.2 有上升和下降段组成的裂纹扩展阻力曲线对应试样的结果及分析

3.3.3 典型裂纹扩展阻力曲线对应试样的结果及分析

3.3.4 加载-卸载-重新加载试样的结果及分析

3.4 讨论

3.5 本章小结

第四章 γ-TiAl基合金位移控制加载下损伤影响的研究

4.1 前言

4.2 试验材料及方法

4.2.1 试验材料

4.2.2 试验试样

4.2.3 试验内容

4.2.3.1 直接拉伸试验

4.2.3.2 拉伸-卸载试验

4.2.3.3 拉伸-卸载-拉断试验

4.3 试验结果及分析

4.3.1 直接拉伸断裂的试验结果及分析

4.3.2 拉伸-卸载试验的结果及分析

4.3.3 拉伸-卸载-断裂试验的结果及分析

4.3.3.1 拉伸卸载宏观试验结果及分析

4.3.3.2 拉伸卸载试验裂纹微观统计结果及分析

4.3.3.3 拉伸断口的 SEM观察及分析

4.4 讨论

4.4.1 微裂纹损伤引起的体积效应

4.4.1.1 弹性模量降低

4.4.1.2 载荷-位移曲线上出现下降段

4.4.2 微裂纹损伤引起的面积效应

4.4.3 断裂过程和损伤的影响

4.4.4 裂纹起裂及扩展与塑性变形的关系

4.5 本章小结

第五章 γ-TiAl基合金载荷控制加载下损伤影响的研究

5.1 前言

5.2 试验材料及方法

5.2.1 试验材料

5.2.2 试验方法

5.2.2.1 连续拉伸卸载试验

5.2.2.2 原位拉伸连续卸载试验

5.3 试验结果及分析

5.3.1 平板拉伸试样连续拉伸卸载试验结果及分析

5.3.1.1 全层 TiAl基合金连续拉伸卸载试验结果及分析

5.3.1.2 双态 TiAl基合金连续拉伸卸载试验结果及分析

5.3.2 原位拉伸缺口试样连续卸载试验结果及分析

5.3.2.1 全层组织直缺口试样拉伸卸载结果及分析

5.3.2.2 全层组织 V缺口试样拉伸卸载结果及分析

5.3.2.3 双态组织直缺口试样拉伸卸载结果及分析

5.3.2.4 有限元计算结果及分析

5.4 讨论

5.4.1 载荷控制下微裂纹损伤引起的体积效应

5.4.2 载荷控制中微裂纹损伤引起的面积效应

5.4.3 缺口试样中微裂纹损伤的作用

5.4.4 连续卸载后裂纹扩展阻力强化的机理

5.5 本章小结

第六章加载速度对γ-TiAl基合金损伤和断裂机理的影响

6.1 前言

6.2 试验材料及方法

6.2.1 试验材料

6.2.2 试验方法

6.2.2.1 拉伸断裂试验

6.2.2.2 拉伸卸载试验

6.2.2.3 弯曲试验

6.3 试验结果及分析

6.3.1 拉伸试验结果及分析

6.3.1.1 载荷控制加载方式下的拉伸试验结果及分析

6.3.1.2 位移控制加载方式下的拉伸试验结果及分析

6.3.2 弯曲试验结果及分析

6.4 讨论

6.4.1 拉伸试验和缺口三点弯曲试验断裂机理的差异

6.4.2 加载速度对断裂行为影响的机理

6.4.2.1 加载速度对拉伸断裂行为的影响

6.4.2.2 加载速度对缺口弯曲断裂行为的影响

6.4.3 拉伸延性与断裂韧性之间随着晶粒尺寸的变化出现相反关系的机理

6.4.4 两种控制方式的影响

6.5 本章小结

主要结论及展望

参考文献

致谢

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