双态组织TiAl基合金拉伸塑性的断裂力学

探讨了双态组织TiAl基合金中晶粒尺度对合金常温拉伸塑性的影响。对等温锻造后的γ TiAl基合金进行了热处理 ,获得了含有不同等轴γ晶粒及片层晶粒体积比的双态组织。采用单轴拉伸实验 ,对断口进行分析发现 :双态组织的断裂方式是脆性断裂 ,在片层区域以穿晶解理断裂为主 ,而在以等轴γ区域为主的细晶区以沿晶断裂为主。通过统计断裂力学分析 ,建立了双态组织TiAl基合金拉伸塑性模型 ,并得出结论 :只有在晶粒半径细化到 5 0 μm以下 ,才会对拉伸塑性产生较大的影响。

Ti-23Al-17Nb合金双态组织的控制及其对力学性能的影响

研究Ti-23Al-17Nb(at%,下同)合金在不同热处理条件下形成的双态组织的微观细节特征及其形成规律,分析双态组织细节特征对力学性能的影响,探讨综合改善合金拉伸性能和高温持久性能的途径。结果表明,经α2+B2两相区温度变形的该合金,通过固溶处理/连续冷却和固溶快冷+时效两种方式的热处理均可形成双态组织。其中固溶快冷+时效方式可以实现O相板条数量、尺寸、分布及排列更有效的控制,时效温度的降低有助于板条的细化和混乱排列。在α2相等轴颗粒形貌及体积分数基本一致(约15%～20%)的情况下,O相板条体积分数的增加有利于合金高温持久性能的显著提高,但会造成合金室温拉伸延伸率的下降;O相板条的细化有利于合金室温和高温拉伸性能的同时改善,但使高温持久性能有所降低;通过1060℃固溶处理/油淬+850℃时效处理获得的双态组织具有强度、塑性和高温长时性能的最好匹配。

TiAl基合金双态组织的控制

研究了TiAl合金双态组织的显微组织参数对力学性能的影响 ,通过对Ti 46 5Al 2Cr 1 5Nb 1V金属间化合物进行特定的热处理 ;分别获得了具有相同晶粒大小、不同片层晶粒体积分数 ,以及相同片层晶粒体积分数、不同晶粒大小显微组织的两个系列的双态复相TiAl合金。研究结果表明 :对于双态复相组织 ,晶粒尺寸由预备热处理过程中的退火时间来控制 ;而片层晶粒体积分数则通过后续热处理温度来控制 。

片层晶粒体积分数对双态组织γ-TiAl基合金室温力学性能的影响

对热等静压后的Ti 46.5Al 2Cr 1.5Nb 1V合金进行了热处理,获得了一系列含有不同片层晶粒体积分数的双态组织。室温拉伸实验结果表明,片层晶粒体积分数对双态组织TiAl合金的性能影响很大。在应变速率一定的情况下,片层晶粒体积分数的增加会导致双态组织TiAl合金屈服强度的增加以及室温塑性的降低。在近γ组织中,室温塑性随着应变速率的增加而增加,原因主要是在应变速率较高时,有较多的孪晶系开动。

TiAl基合金双态组织高温变形的研究

采用自制的高温拉伸机研究了Ti－33Al—3Cr—0.5Mo合金双态组织的高温变形。结果表明，在适当的变形工艺条件下，在970℃获得了高达194％的延性。研究认为，品界和晶内位借运动作为重要的协调机制，促进了晶界滑动的顺利进行。热变形中的微观缺陷易产生于γ相晶粒与α2／γ为层片晶团构成的晶界处。

铸造高铌TiAl合金双态组织转变过程

通过对Ti-46Al-8Nb-2Mn-0.2B合金的铸态组织和经过α+γ双相区热处理后的组织进行光学和扫描电镜进行观察,发现原始铸态组织的γ相偏析处不是片层的晶界,而是片层穿越的区域.由于γ相偏析区域的Al含量比片层基体高,因此阻碍了后续回火过程中该偏析部位片层的分解.通过先得到近γ组织,然后经过α+γ双相区保温,最终得到晶粒为40μm的双态组织;但组织中有少量的β相没有得到消除.

全片层与双态组织高铌TiAl合金高温原位拉伸研究

利用原位观察的方法研究了全片层(Fully Lamellar,FL)组织与双态(Duplex,DP)组织高铌TiAl合金在750℃下的拉伸力学行为。结果表明:DP组织具有较好的抗拉强度和塑性,其抗拉强度为958MPa,断面收缩率为45.1%,FL组织抗拉强度较低且几乎没有塑性;随着拉伸应力的增加,DP组织合金试样表面存在一个大量裂纹萌生和扩展的过程,这些裂纹均匀分布在试样表面,主要以萌生为主,几乎难以扩展,而在FL组织中只能观察到少量的裂纹萌生现象;拉伸断裂后的DP组织合金的裂纹是由多个孔洞合并而成,呈蠕虫状且尺寸很小,FL组织中与拉伸方向垂直或呈一较大夹角的片层团界及片层界较易萌生裂纹,在临近断口区域,裂纹主要以穿层扩展为主。

TiAl基合金双态组织试样室温断裂的研究

采用预制缺口试样，测试了Ｔｉ－３３％Ａｌ－３％Ｃｒ－０．５％Ｍｏ（质量分数）合金双态组织材料的室温ＫＩＣ值．使用扫描电子显微镜，研究了薄板状试样内裂纹扩展动态过程；并采用透射电子显微镜，进一步研究了薄膜试样内裂纹扩展动态过程，以及裂纹尖端附近区域上的变形亚结构．试验结果表明，ＴｉＡｌ基合金双态组织试样表现出低的室温断裂韧性，归因于γ相晶粒内容易形成剪切带，造成了γ相晶粒对裂纹扩展表现出低的阻力．

大长径比深盲孔钛合金壳体双态组织挤压技术研究

分析了一种大长径比深盲孔钛合金壳体,在不同温度下的成形组织及其对性能的影响,结果表明,当挤压发生在相变点以下时,动态再结晶引起α相球化,但含量变化不大,力学性能也差别不大;但在相变点以上时,α相含量随着温度的升高明显减少,在920℃时,初生α相含量只有8%左右,组织中几乎完全为β转,粗大的β晶界内布满片条状α集束,抗拉强度上升,而延伸率则明显下降。最后结合工艺试验,采用优化出的钛合金壳体挤压参数,制备出尺寸及性能均符合要求的锻件。

高铌TiAl合金双态组织室温断裂行为研究

通过对高铌TiAl合金双态组织的缺口试样进行原位拉伸、相应的断裂表面SEM观察,研究其拉伸断裂机制和裂纹扩展的动态过程。结果表明,高铌TiAl合金双态组织的断裂模式主要是穿晶解理断裂;合金的断裂过程是主裂纹首先起裂,微裂纹的产生、扩展和连接主裂纹,直至断裂;在裂纹扩展过程中,尖端附近区域范围内的γ相晶粒内易形成微裂纹,为其断裂过程的一个明显特征;对于双态缺口试样,由于晶粒细小,缺口根部出现应力集中,裂纹扩展路径比较平直。

双态组织TA19钛合金高温变形过程中的微观组织演变机制

对具有双态组织的TA19钛合金进行热模拟压缩实验,采用扫描电镜、透射电镜和电子背散射衍射研究了合金变形后的微观组织,并研究了变形温度对合金等轴α相和片层α相演变的影响行为及其机制。结果表明:变形温度对合金的相含量、晶粒形貌、晶界取向差角、以及动态回复和动态再结晶行为都构成显著影响。变形温度较低时(820~860℃),片层α相比等轴α相的塑性变形量大,片层α相向弯曲状形貌转变,且内部发生了明显的动态回复和动态再结晶。变形温度较高时(900~940℃),片层α相在β相中重新析出,表现出平行排布的规则形貌,且晶界取向差角分布图在10°、60°和90°处出现明显的峰值。同时,较高的变形温度促进了等轴α相中的动态再结晶,从而使得大角度晶界增加,而位错密度降低。

应变幅值对双态组织TC4钛合金疲劳断裂机制的影响

测试了双态组织TC4钛合金的低周疲劳性能,并结合断口形貌及断口附近组织,分析了应变幅对双态组织TC4钛合金低周疲劳过程中断裂机制的影响。结果发现：双态组织的TC4钛合金在遭受小应变幅（0.6%）时,寿命较长,在10000次以上;当应变幅为1.2%时,其寿命仍能保持在600次以上。在遭受大应变幅（1.2%）时,裂纹穿过相而扩展,材料内部缺陷是裂纹萌生源;当遭受小应变幅（0.6%）时,裂纹源出现在材料表面,α相被拉长,裂纹沿α相和β转变组织之间扩展。

双态组织高Nb-TiAl合金的缺口敏感性

通过对圆棒状缺口试样和无缺口光滑试样进行单向拉伸试验,研究了双态组织高Nb-TiAl合金的缺口敏感性。研究表明,缺口根半径R≥0. 5 mm的U型试样和缺口角度60°、R≥1 mm的V型试样的抗拉强度RmN都大于光滑试样的抗拉强度Rm,缺口敏感度NSR均大于1,合金对缺口不敏感。当缺口类型相同时,缺口敏感性随缺口根半径R的减小而增大;V型缺口敏感性大于U型缺口;对于V型缺口试样,当R=0. 5 mm时,其NSR在0. 98~1. 03之间,RmN在Rm附近波动,易出现缺口敏感。

双态组织近α钛合金锻件的织构和组织演变

近α钛合金铸坯通常含有许多宏观特征区域，比如与周围组织形貌有明显区别的较大区域微观织构，这些微观织构往往会影响材料的静态疲劳性能。

双态和全片层组织大尺寸Ti-43Al-9V-Y合金的拉伸性能

采用真空自耗电极电弧炉熔炼技术、均匀化热处理、热等静压处理以及包套锻造工艺制备了大尺寸双态组织（DP组织）Ti43Al9VY合金锻坯，切取适量锻坯在1 350 ℃保温8 h后得到全片层组织（FL组织）,在室温，700，750，800，900 ℃下对两种组织合金不同位置处的试样进行拉伸试验，并对断口形貌进行观察。结果表明：DP组织合金的均匀性较好，不同位置处的拉伸性能无明显差异；在室温～700 ℃范围内，随着温度的升高，合金的屈服强度略有下降，但仍保持在较高水平；在700～900 ℃范围内，随着温度的升高，合金的屈服强度迅速下降，700 ℃时，DP组织和FL组织合金的平均伸长率分别为8.3%和2.05%，当温度高于700 ℃以后，合金开始呈现出软化趋势，800 ℃的拉伸断口表面可见韧窝及明显的氧化膜。

钛合金双态组织高温拉伸行为的晶体塑性有限元研究

创建一个包含多变体结构特征的双态组织几何模型,提出一种变形协调性的评估方法,采用以率相关滑移为主的晶体塑性有限元本构关系,研究了具有不同组织特征的Ti-6Al-4V合金双态组织的高温拉伸行为。结果表明:在多晶变形过程中,α_p相承载了更多的应变;在变形后的样品中,出现了大致对称分布于拉伸方向两侧的高应变交叉条带;存在于α_p与β_T之间的包围结构特征,可加剧局域应变分配的差异;随着α_p相体积分数的升高应变量降低,整体应变协调性先较快降低而后平稳;随着α_s片层厚度的增加高应变条带特征弱化,整体应变协调系数升高;含双变体α_s片层团簇结构的β_T组织,其应变协调性低于含单变体和三变体的组织。

转变β区体积分数对双态组织TC4钛合金动态压缩性能及其绝热剪切敏感性的影响规律

研究了固溶温度对双态组织TC4钛合金中转变β区体积分数的影响,并利用分离式霍普金森压杆,进一步研究了转变β区体积分数对双态组织TC4钛合金动态压缩性能及其绝热剪切敏感性的影响。结果表明:随着固溶温度的升高,转变β区的体积分数随之增加;在动态压缩实验条件下,合金的动态抗压强度随着转变β区体积分数的增加,呈现出先升高后降低的规律,且在转变β区体积分数为80.7%时出现最大值,而塑性应变则随着转变β区体积分数的增加,呈现出依次降低的规律;在强迫剪切实验条件下,合金的绝热剪切敏感性随着转变β区体积分数的增加,呈现出先降低后升高的规律,且在转变β区体积分数为80.7%时出现最低值;且各双态组织TC4钛合金均随着撞击杆初速的提高,其绝热剪切敏感性增加。

Ti555211合金双态组织拉伸行为的SEM原位观察

利用SEM原位拉伸实验,研究了Ti555211合金具有初始双态组织的拉伸变形和断裂行为。结果表明:在拉伸载荷作用下,双态组织试样中滑移带优先出现在初生α相内(与拉伸轴呈45°),在裂纹扩展过程中,合金内滑移带的密度均随着载荷的增加逐渐增加,双态组织试样的断裂方式为微孔聚集型断裂。原位拉伸试样断口分析表明,韧性断裂是双态组织试样的主要断裂方式,双态组织试样断口没有明显剪切唇,存在小范围的剪切滑移造成的平坦面。SEM原位拉伸实验分析方法能够对该合金的变形和断裂行为进行实时跟踪,该方法的研究结果更加具有重大的理论价值和工程意义。

Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo合金双态组织的热加工行为

在Gleeble^(-1)500D热模拟实验机上对Ti-6Al-3Nb-2Zr^(-1)Mo合金双态组织进行热模拟实验,变形温度为850~1050℃,应变速率为0.010~1.000 s^(-1),变形量为60%;根据不同条件下的应力峰值计算得其热变形激活能Q为786.609 kJ·m^(-1),并构建本构方程,最后在动态模型的基础上建立热加工图;利用金相显微镜(OM)和透射电子显微镜(TEM)观察其显微组织。实验结果表明,材料在热加工过程中会出现2个失稳区:变形温度为860~920℃、应变速率为0.075~0.330 s^(-1)和变形温度为940~1030℃、应变速率为0.010~0.058 s^(-1);1个加工稳定区:变形温度为920~1000℃、应变速率为0.048~0.280 s^(-1)。变形温度为900℃、应变速率为0.10 s^(-1)时,合金变形容易发生失稳;变形温度为1000℃、应变速率为0.050 s^(-1)时,合金会出现绝热剪切带,从而导致材料在使用过程中失效;变形温度为950℃、应变速率为0.100 s^(-1)时,合金的塑性和强度适中,疲劳强度和韧性提高,具有良好的综合力学性能。

TiAl合金铸件的热处理组织调控机制

TiAl合金铸态组织粗大,致使其铸件强度低、塑性差,必须通过热处理细化铸态组织。利用OM和SEM研究了Ti-47Al-2Cr-2Nb合金铸件不同热处理组织演变规律,优化制定了双态和近片层组织热处理工艺,实现了晶粒细化,揭示了细化机理。结果表明,1185℃/6 h/炉冷双态组织热处理和1185℃/6 h/炉冷+1330℃/0.25 h/炉冷近片层组织热处理可分别将铸态组织晶粒尺寸细化75.51%和40.21%。双态组织热处理晶粒细化机制是在片层团晶粒内部析出大量γ晶粒打断原始粗大的片层团晶粒,γ晶核在片层团晶粒内形核来源于Al元素偏析和γ片层连续粗化。近片层组织热处理晶粒细化机制是在α单相区短时保温时发生了γ→α转变,破坏了原始粗大的片层团晶粒。等轴γ晶粒对α晶粒长大有钉扎作用,使得冷却后形成的片层团晶粒尺寸较小。