TiAl基金属间化合物疲劳损伤与断裂机理的研究

论文摘要

本文通过对TiAl基合金进行拉伸、压缩、原位拉伸、弯曲、拉伸疲劳及弯曲疲劳等宏观试验结果的分析，以及对试样断口和其表面的裂纹起裂、扩展形貌的SEM观察与分析，得出了该全层状TiAl基合金在不同加载方式下的断裂机制和断裂机理，并总结如下：(1)裂纹沿着晶粒边界或沿层起裂，层间是薄弱环节，断裂方式是穿层断裂和沿层断裂的混合体，以穿层断裂为主。(2)当材料的裂纹扩展到一个Griffiths的临界裂纹长度时，外加的应力使该裂纹迅速扩展，并穿透整个试样。(3)在拉伸和弯曲试验时，当外加载荷达到某一值时，这种Griffiths裂纹可立即出现；而在应力较低的拉伸疲劳试验，当应力循环使试样的裂纹扩展到一定程度时才会产生这种Griffiths裂纹。(4)在压缩试验时，当加载到一定程度，在一定的塑性变形后，裂纹首先在与外加载荷平行或接近平行的方向起裂和扩展；压缩断裂机制是剪应力和正应力共同作用的过程，并由两个不同方向裂纹的扩展而导致试样最终的断裂。(5)对于缺口试样的弯曲试验，其断裂方式也为解理断裂，断裂过程是先在缺口处产生微裂纹，一旦裂纹在缺口根部产生，由于材料已积累足够的能量使得材料快速失稳解理断裂。(6)对于弯曲疲劳试验，疲劳时裂纹直接起裂于试样的缺口根部，并随着加载应力的循环裂纹一步一步的扩展。当疲劳的应力幅较低时，所产生的疲劳裂纹能不断的扩展，直至穿透了试样；而在较高的应力幅下，该疲劳裂纹扩展到一定程度时，会引起试样发生突然的脆性解理断裂并贯穿整个试样。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 附表索引
• 第一章 绪论
• 1.1 工程背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 TiAl基合金组织结构的特征
• 1.2.2 TiAl基合金典型的性能
• 1.2.2.1 拉伸与塑性行为
• 1.2.2.2 断裂韧性行为
• 1.2.3 TiAl断裂机理的研究
• 1.2.4 影响TiAl断裂的一些因素
• 1.2.4.1 取向的影响
• 1.2.4.2 晶粒边界的影响
• 1.2.4.3 层间距和团尺寸的影响
• 1.2.4.4 加载率和环境的影响
• 1.2.4.5 温度的影响
• 1.2.5 TiAl合金韧化机理的研究
• 1.2.6 金属材料疲劳的研究
• 1.2.7 TiAl合金疲劳行为的研究
• 1.2.8 损伤的研究以及本课题的提出
• 1.3 本文的研究意义
• 1.4 本文的研究内容
• 第二章 TiAl基合金拉伸和压缩的损伤断裂机理研究
• 2.1 前言
• 2.2 实验材料和实验方法
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 实验试样
• 2.2.3 宏观力学实验
• 2.2.3.1 拉伸断裂及卸载试验
• 2.2.3.2 压缩断裂及卸载试验
• 2.2.4 扫描电子显微镜的观察
• 2.2.4.1 拉伸断裂试样断口的SEM观察
• 2.2.4.2 拉伸卸载试样表面的SEM观察
• 2.2.4.3 压缩卸载试样表面的SEM观察
• 2.3 试验结果及分析
• 2.3.1 TiAl基合金拉伸试验结果及分析
• 2.3.2 TiAl基合金压缩试验结果及分析
• 2.3.2.1 宏观试验结果分析
• 2.3.2.2 压缩卸载试验的结果及分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 TiAl基合金弯曲断裂机理的研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验材料和实验方法
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 实验试样
• 3.2.3 宏观力学实验
• 3.2.3.1 3PB断裂试验
• 3.2.3.2 3PB卸载试验
• 3.2.3.3 4PB断裂试验
• 3.2.4 扫描电子显微镜的观察
• 3.3 试验结果及分析
• 3.3.1 三点弯曲断裂试验结果及分析
• 3.3.2 三点弯曲卸载试验结果及分析
• 3.3.3 TiAl金属间化合物四点弯曲结果及分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 TiAl基合金原位拉伸断裂机理的研究
• 4.1 前言
• 4.2 实验材料和实验方法
• 4.2.1 实验材料
• 4.2.2 实验试样
• 4.2.3 原位拉伸试验
• 4.2.4 扫描电子显微镜的观察
• 4.3 试验结果及分析
• 4.3.1 直缺口试样原位拉伸试验结果和分析
• 4.3.2 大圆弧试样原位拉伸试验结果和分析
• 4.3.3 平板试样原位拉伸试验结果和分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 TiAl基合金拉伸疲劳断裂机理的研究
• 5.1 前言
• 5.2 实验材料和实验方法
• 5.2.1 实验材料
• 5.2.2 实验试样
• 5.2.3 拉伸疲劳试验
• 5.2.4 扫描电子显微镜的观察
• 5.3 拉伸疲劳试验结果及分析
• 5.3.1 宏观试验的结果及分析
• 5.3.2 断裂试样的断口观察及分析
• 5.3.3 卸载试样表面的观察及分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 TiAl基合金弯曲疲劳损伤断裂机理的研究
• 6.1 前言
• 6.2 实验材料和实验方法
• 6.2.1 实验材料
• 6.2.2 实验试样
• 6.2.3 宏观力学实验
• 6.2.3.1 直缺口试样3PB疲劳试验
• 6.2.3.2 V缺口试样3PB疲劳试验
• 6.2.3.3 扫描电子显微镜的观察
• 6.3 试验结果及分析
• 6.3.1 直缺口试样3PB疲劳试验的结果及分析
• 6.3.1.1 直缺口试样弯曲疲劳试验的疲劳寿命及疲劳曲线
• 6.3.1.2 直缺口弯曲疲劳的卸载试验
• 6.3.1.3 疲劳卸载试样经弯曲断裂后的断口观察与分析
• 6.3.2 V缺口试样3PB疲劳试验的结果及分析
• 6.3.2.1 V缺口试样弯曲疲劳试验的疲劳寿命及疲劳曲线
• 6.3.2.2 V缺口试样三点弯曲疲劳的卸载试验
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表及待发表的学术论文目录