ial高溫力學(xué)性能的實驗研究

ial高溫力學(xué)性能的實驗研究

0拉伸試驗對tial的影響以密度小、比模大、比強、耐高溫、好強度穩(wěn)定性為特點，引起了許多科學(xué)研究人員和工程技術(shù)人員的注意。但是由于其室溫脆性大、加工性能差,嚴重影響了其在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用。近幾十年來,通過微合金化以及相應(yīng)的復(fù)合熱機械處理工藝使得TiAl金屬間化合物的塑性和強度均有所提高,TiAl金屬間化合物的發(fā)展已步入實用化研究階段。盡管對TiAl金屬間化合物在不同溫度下的力學(xué)行為的研究開展已久,但大多集中在不同溫度準(zhǔn)靜態(tài)加載下的力學(xué)行為研究上,而有關(guān)TiAl在不同溫度動態(tài)加載下的力學(xué)行為的研究相對較少,尤其在動態(tài)拉伸下的力學(xué)行為研究方面。Y.Wang和D.Lin(T.L.Lin)與夏源明和周元鑫合作,在旋轉(zhuǎn)盤式間接桿-桿型沖擊拉伸試驗機上對兩種片層組織的TiAl進行了室溫下的沖擊拉伸試驗;試驗結(jié)果表明片層組織的TiAl在沖擊拉伸載荷下完全是脆性斷裂且呈現(xiàn)出“高速韌”的特性。Z.M.Sun利用類似于中應(yīng)變率試驗機的裝置對雙態(tài)組織的Ti-45Al-1.6Mn在室溫下進行了最高應(yīng)變率為300s-1的拉伸試驗,并與準(zhǔn)靜態(tài)試驗結(jié)果進行了對比。結(jié)果表明,材料的強度總體上是隨應(yīng)變率的上升而提高,但是在高應(yīng)變率范圍內(nèi)強度的應(yīng)變率相關(guān)性并不明顯。M.Shazly等在SHTB裝置上對近片層組織的Gamma-MetPX(德國GKSS制備的一種Ti-45Al-X金屬間化合物,其中X指Nb,B或者C)在不同溫度下進行了初步的沖擊拉伸試驗。該試驗還存在諸多問題,宏觀應(yīng)力-應(yīng)變曲線中存在的非本構(gòu)的抖動,材料沒有進入一個恒定應(yīng)變率變形階段,試件試驗段的溫度無法精確測試等。本文對等軸(NG),近片層(NL)和雙態(tài)(DP)組織的Ti-46.5Al-2Nb-2Cr在室溫至840℃,應(yīng)變率分別為0.001s-1,320s-1,800s-1和1350s-1下的拉伸力學(xué)行為進行了研究,以揭示溫度、應(yīng)變率和微觀組織對TiAl高溫動態(tài)力學(xué)行為的影響。1種組織的tial本文所研究的TiAl是通過鑄錠變形合金冶金工藝制備的。鑄錠首先在1250℃125MPa下進行了3小時的熱等靜壓處理(HIP),然后在1250℃下退火8小時,接著通過控制后續(xù)的包套鍛和熱處理工藝(圖1),獲得了NG、NL和DP組織的TiAl。三種組織的TiAl的金相照片如圖2所示。在旋轉(zhuǎn)盤式間接桿-桿型沖擊拉伸裝置上對上述三種組織的TiAl進行了室溫至840℃應(yīng)變率為320s-1,800s-1和1350s-1下的沖擊拉伸試驗;同時還在MTS809材料試驗機上對相應(yīng)溫度下應(yīng)變率為0.001s-1下三種組織的TiAl的進行了準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗。2不同溫度和應(yīng)變率對大絲束碳纖維性能的影響圖3給出了NGTiAl在不同溫度和不同應(yīng)變率下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線,可以看出動載和靜載下NGTiAl的力學(xué)行為有著明顯的差異。圖3(a)中NGTiAl在準(zhǔn)靜態(tài)不同溫度下的曲線中可以看出,當(dāng)溫度低于750℃時,材料的塑性應(yīng)變都非常的小;而當(dāng)溫度高于750℃時,材料的塑性應(yīng)變明顯增加;當(dāng)溫度達到950℃時,材料出現(xiàn)了明顯的溫度軟化現(xiàn)象。按Wang的定義,韌脆轉(zhuǎn)變溫度(BDTT)是材料的塑性達到7.5%時的溫度,因此NGTiAl的BDTT介于750℃～840℃之間。而在圖3(b)～(d)中NGTiAl在高應(yīng)變率不同溫度下的曲線中,當(dāng)溫度達到了試驗所能達到的最高溫度840℃時,材料的塑性仍不足4%,即仍沒有發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變。據(jù)此可以推斷在高應(yīng)變率拉伸加載條件下,NGTiAl的BDTT應(yīng)高于840℃,即高于準(zhǔn)靜態(tài)下的BDTT。若按F.Appel和Wang的結(jié)論——不同微觀組織TiAl的BDTT在準(zhǔn)靜態(tài)范圍內(nèi)隨應(yīng)變率的增加而上升,NGTiAl的BDTT在準(zhǔn)靜態(tài)至動態(tài)加載范圍內(nèi)也可能隨應(yīng)變率的增加而升高。另外,在本文的高應(yīng)變率范圍內(nèi)NGTiAl的硬化率無明顯的溫度和應(yīng)變率相關(guān)性,且均為線性硬化。對獲得的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線進行二次處理,可得到σ0.2、流動應(yīng)力σ1.5(與1.5%應(yīng)變對應(yīng)的應(yīng)力)、σb和εb與溫度和應(yīng)變率相關(guān)性圖(如圖4和圖5所示),圖中不包含εb<1.5%時的情況。從圖中可以看出,NGTiAl在動載下的強度明顯高于靜載下的強度,而在本文動態(tài)加載范圍內(nèi)(320s-1～1350s-1),強度卻隨應(yīng)變率的上升而無明顯的變化;同時,高溫下材料的塑性隨應(yīng)變率的上升略有提高(圖5(d)),材料呈現(xiàn)“高溫高速韌”?？傮w上,無論是準(zhǔn)靜態(tài)加載還是動態(tài)加載,材料的強度隨溫度的上升是下降的;只是在某一溫度范圍內(nèi),材料的強度隨溫度的上升幾乎無明顯的變化。盡管在動載下當(dāng)溫度達到最高測試溫度840℃時材料仍沒有發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變,但可以推斷當(dāng)溫度更高的時候,材料總會發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變,本文定義此時發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度為BDTTD,而與之對應(yīng)的準(zhǔn)靜態(tài)加載下的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為BDTTQ。由此,圖6中給出了不同溫度和不同應(yīng)變率下屈服強度的溫度相關(guān)性曲線。從圖6中可以發(fā)現(xiàn),無論動載還是靜載,屈服強度的溫度相關(guān)性曲線都被“特征溫度”和“韌脆轉(zhuǎn)變溫度”劃分為三個區(qū)域——在I和III區(qū),屈服強度隨溫度的上升而下降;而在II區(qū),屈服強度幾乎不隨溫度的上升而變化。由于BDTTD>BDTTQ,因此動載下的II區(qū)溫度跨距要明顯的大于準(zhǔn)靜態(tài)加載下的II區(qū)溫度跨距,即動態(tài)II區(qū)范圍要大于準(zhǔn)靜態(tài)II區(qū)范圍,也即動強度基本保持不變的溫度范圍要大于靜強度的溫度范圍。上述規(guī)律對σ1.5亦成立。此外,在動載下未發(fā)現(xiàn)G.T.Gray等在高溫沖擊壓縮試驗中所發(fā)現(xiàn)的屈服/流動應(yīng)力的明顯的溫度反?，F(xiàn)象。總體而言,材料動態(tài)下的高溫綜合力學(xué)性能優(yōu)于準(zhǔn)靜態(tài)下的性能。圖7和圖8分別給出了NLTiAl和DPTiAl在不同溫度和不同應(yīng)變率下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。從圖中可以看出,上述兩種組織TiAl和NGTiAl有著類似的溫度和應(yīng)變率相關(guān)性,但由于篇幅所限,本文沒有給出上述兩種組織TiAl的溫度和應(yīng)變率相關(guān)性曲線。準(zhǔn)靜態(tài)下NLTiAl和DPTiAl的BDTT分別介于950℃～1050℃和800℃～840℃之間,且兩種組織TiAl的強度的溫度相關(guān)性曲線中的“特征溫度”均為500℃。由此可見,隨微觀組織中片層晶粒含量的增加,由NG至DP再至NL,準(zhǔn)靜態(tài)下的BDTT是不斷增加的。同時,隨微觀組織中片層晶粒含量的增加(NG→DP→NL),三種組織的TiAl的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線的屈服點越來越不明顯,且材料的硬化段也越來越偏離線性;這很可能是由于高溫時片層晶粒間晶界滑移所引起的?？傮w而言,DPTiAl的綜合力學(xué)性能是三種微觀組織材料中最好的。3熱性能與動態(tài)的特性三種微觀組織的Ti-46.5Al-2Nb-2Cr均是溫度和應(yīng)變率相關(guān)的:(1)三種微觀組織TiAl的BDTT均隨應(yīng)變率的增加而升高;(2)無論是準(zhǔn)靜態(tài)加載還是動態(tài)加載,三種微觀組織TiAl的強度的溫度相關(guān)性曲線均被一“特征溫度”(NGTiAl約為650℃,其它兩種組織的TiAl約為500℃)和“韌脆轉(zhuǎn)變溫度”劃分為三個區(qū)域,且動強度不隨溫度上升而變化的溫度范圍要大于靜強度的溫度范圍?？傮w上動強度高于靜強度,但在本文的高應(yīng)變率范圍內(nèi)(320s-1～1350s-1)動強度自身的應(yīng)變率相關(guān)性不大。(3)當(dāng)溫度低于BDTT時,在相同溫度下動態(tài)的εb均大于準(zhǔn)靜態(tài)的εb,但在高應(yīng)變率加載范圍內(nèi)(320s-1～1350s-1)強度和εb隨應(yīng)變率的變化并不明顯,材料呈現(xiàn)“高溫高速韌”。結(jié)合結(jié)論(2)可以看出,材料動態(tài)下的高溫綜合力學(xué)性能優(yōu)于準(zhǔn)靜態(tài)下的;這意味著TiA