稀有金属 2006,(05),586-590 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2006.05.003

全层TiAl基合金缺口试样原位拉伸卸载试验的研究

朱浩 田载友 张继 陈剑虹

兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,兰州理工大学材料科学与工程学院,兰州理工大学材料科学与工程学院,钢铁研究总院高温材料研究所,兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室 甘肃兰州730050,兰州理工大学材料科学与工程学院,甘肃兰州730050,甘肃兰州730050,甘肃兰州730050,北京100081,甘肃兰州730050,兰州理工大学材料科学与工程学院,甘肃兰州730050

摘 要：

通过对TiAl基合金不同类型的缺口试样进行原位拉伸卸载实验和相应的断裂表面观察, 研究了TiAl基合金全层组织的断裂机理。研究发现:对于缺口试样, 裂纹起裂于缺口根部, 其断裂过程主要是主裂纹首先起裂、扩展并最后断裂。在整个断裂过程中断裂是穿层断裂和沿层断裂的混合体, 裂纹路径较曲折。在拉伸过程中, 试样产生微裂纹导致材料发生损伤, 随后卸载再加载时, 与先前相比, 裂纹更易扩展。预损伤加快了裂纹的产生和扩展, 使损伤进一步加重, 促使材料抵抗裂纹产生、扩展的能力下降。

关键词：

TiAl基合金;断裂机理;原位拉伸;卸载;

中图分类号： TG115.5

收稿日期：2005-12-13

基金：国家自然科学基金 (50471109) 资助项目;

In-Situ Tensile-Unload Tests of Fully Lamellar TiAl Alloy Notch Specimens

Abstract：

By means of in-situ tensile-unload SEM observation and its corresponding fracture surface observation of different notched specimens of fully lamellar TiAl-based alloys, fracture mechanism of TiAl alloys was investigated.The result of in-situ tensile-unload experiment shows that cracks are initiated directly from the notch for the straight notch specimens, in which the main crack is initiated, propagated and connected by the microcracks.The translamellar fracture and interlamellar fracture are the dominant fracture mode and the crack path is very rough.Microcracks produced in the tensile process can induce damage of materials.With unloading and reloading process, the microcracks are very easy to propagate compared with the former.Pre-damage will accelerate crack initiation and propagation process, and increase the degree of damage.Furthermore, the resistance ability of crack initiation and propagation is decreased.

Keyword：

TiAl-based alloys;fracture mechanisms;in-situ tensile;unload;

Received： 2005-12-13

γ-TiAl金属间化合物以其低密度、良好的高温性能、抗蠕变和抗氧化性能而成为航空发动机、汽车工业的首选候选材料 ^[1] 。Toshimitsu ^[2] 已经成功地把TiAl金属间化合物应用在汽车的涡轮机叶片上。因此TiAl金属间化合物是很有前途的高温结构材料。但由于其抗损伤能力较弱, 较低的室温塑性、断裂韧性和高裂纹扩展速率, 增加了失效的可能性 ^[1] , 因此限制了其在飞机等航空航天器件上的应用。作者 ^[3,4] 在研究Ti-46.3Al-2V-1Cr合金的拉伸和压缩性能时发现:拉伸和压缩的应力-应变曲线有明显的不同, 研究认为拉伸试样在试验时测得的机械性能较低的原因是由于在很小的载荷下产生了显微裂纹, 进而引起材料在拉伸时发生了很大程度的损伤, 压缩时材料的损伤很小, 所以其性能也就相应的较高。缺口 (预裂纹) 拉伸试样的损伤及断裂过程与平板拉伸试样的损伤及断裂过程完全不一样。对于平板拉伸试样, 先产生很多微裂纹, 这些微裂纹扩展, 随着外加应力的进一步增加, 当微裂纹和外加应力共同作用足以引起微裂纹进一步贯穿的瞬间, 试样整体发生解理断裂 ^[5] 。对于缺口 (预裂纹) 试样, 由于缺口根部应力集中的作用, 其断裂过程更复杂。因此, 本实验采用带有缺口的试样在下进行原位拉伸连续卸载试验, 一边拉伸一边观察试样上裂纹的产生及扩展过程。对缺口试样损伤及断裂过程进一步进行研究。

1实验

本试验所用材料为北京钢铁总院提供的γ-TiAl合金的全层组织, 如图1所示。该组织的名义成分为Al 47.5, V 2.5, Cr 1.0和余量Ti。该组织是在1370℃温度下进行1 h真空热处理随炉冷却形成的。

用线切割机切得原位拉伸试样如图2所示。缺口的几何尺寸是:V型缺口根部半径0.25 mm, 直缺口的根部半径为0.0875 mm。直缺口试样用Fl-s-6来表示, 厚度为0.24 mm;V缺口试样用Fl-s-10来表示, 厚度为0.38 mm;另一V缺口试样用Fl-s-9来表示, 厚度为0.36 mm。在带有加载设备的小拉伸机上一边手动加载, 一边用扫描电镜SEM-520观察试样在整个加载过程中的断裂行为。在加载到一定的时候卸载, 着重观察前次加载形成的裂纹对其后加载过程中主裂纹及微裂纹的产生、扩展, 缺口端部、近尖端显微裂纹的形成与主裂纹的连接, 微裂纹形态和分布的影响, 并且记录加载过程中每一状态对应的载荷。近似计算拉伸时应力, 得到裂纹长度与应力之间的关系。结合对断口的观察, 以及断口和表面裂纹完全对应, 逐一分析裂纹产生及扩展机制。

图1 全层TiAl合金的显微结构

Fig.1 Microstructure of full lamellar TiAl alloy

图2 原位拉伸试样的几何尺寸 (mm)

Fig.2 Shape and dimension of in-situ tensile specimen

2结果与讨论

2.1直缺口试样拉伸卸载结果及分析

Fl-s-6试样的断裂过程如图3所示。图4为所对应的主裂纹长度与应力之间的关系曲线。由图3 (a) 可知, 加载到68.82 MPa时, 表面出现两条裂纹1和2, 接着卸载到0 MPa时, 见图3 (b) , 表面裂纹1完全闭合, 表面裂纹2在宽度及长度上有所减小, 同时也发现位于缺口根部的裂纹1才是主裂纹。随着应力增加到108.52 MPa (图3 (c) ) 卸载 (图3 (d) ) 再加载到同一应力 (图3 (e) ) 时, 主裂纹发生很大的扩展, 且与主裂纹前的微裂纹3连接起来 (图3 (c～e) ) 。当达到最大应力值后, 见图3 (f) , 应力突然出现下降即下降至109.64 MPa, 裂纹形貌变化如图3 (g) 所示。卸载-再加载-卸载后, 裂纹宽度明显减小, 再加载时, 在很小应力下, 主裂纹和前方的微裂纹相互连接、贯通, 导致主裂纹长度增加, 发现在很小应力54.17 MPa (图3

时就发生断裂从试样的断裂过程及主裂纹投影长度与拉伸卸载应力之间的关系可以发现, 在加载前期, 裂纹长度增加, 外加应力呈上升趋势。随着拉伸应力的增加, 主裂纹的长度增大, 加载到一定应力卸载时, 主裂纹长度稍有减小 (图3 (b) , (d) ) ;当加载到一定的应力时, 此时应力基本不变而主裂纹自行扩展, 最后整个试样断裂。预应力使材料的整体性能弱化, 表现出在较低的应力下材料发生断裂。

2.2 V缺口试样拉伸卸载结果及分析

V缺口试样的拉伸卸载过程与直缺口试样相近。而对V缺口试样Fl-s-10, 其扩展过程与直缺口试样的区别是主裂纹产生于缺口右侧 (图5 (a) ) 。主应力随着裂纹长度的增加始终是增加的趋势 (图4 (b) ) 。主裂纹相互连接的主要过程就是先不断产生沿层微裂纹, 然后这些微裂纹不断相互剪切撕裂而连接, 同时在主裂纹前方形成很多穿层小裂纹, 然而这些微裂纹并不影响材料的最终断裂走向及断裂所需要的驱动力 (图5 (b) , (c) ) 。试样经历连续卸载过程后最终的断裂应力仍然高于最大的卸载应力 (图4 (b) ) 。

综上所述可知, 原位拉伸卸载时断裂过程主要是主裂纹首先起裂、微裂纹逐渐产生、扩展和连接直至断裂的过程 (图3 (a) ～ (i) ) 。直缺口试样裂纹萌生于缺口根部, V型缺口裂纹不一定从根部起裂 (图5 (a) ) 。然而当载荷达到一定值时, 主裂纹停在晶界, 如果这个晶粒非常大, 将在裂纹尖端附近的高应力区域产生微裂纹 (图5 (b) ) ;随着载荷的不断增加, 缺口根部的微裂纹逐渐增大, 并穿层扩展;如果这个晶粒比较小, 裂纹可以沿着晶界继续扩展。这是因为全层组织中试样的每个层团都较大, 裂纹易于沿层起裂, 而裂纹扩展遇到的每个层团也很大, 缺口根部产生很大应力集中。这时要产生的裂纹实质上是两种机制竞争的结果, 一方面应力集中的作用使得主裂纹完全在主应力方向上开裂, 但是另一方面由于沿层强度远低于穿层强度, 层间是较薄弱的环节, 易于起裂。如果应力集中起主要作用, 就使得主裂纹完全在主应力方向上开裂 (图3) ;如果层片取向起主要作用, 裂纹易于沿层起裂 (图5 (a) ) 。由于这两方面的作用, 就会产生一系列复杂的断裂过程。

图3 直缺口试样Fl-s-6拉伸-卸载过程裂纹扩展行为 (a) 68.82 MPa; (b) 0 MPa; (c) 108.52 MPa; (d) 0 MPa; (e) 108.52 MPa; (f) 116.32 MPa; (g) 109.64 MPa; (h) 51.02 MPa; (i) 54.17 MPa

Fig.3 Crack propagation behaviors of straight-notch specimen Fl-s-6 in tensile-unload process

图4 主裂纹长度与应力之间的关系 (a) 直缺口试样Fl-s-6; (b) V缺口试样Fl-s-10

Fig.4 Relationship between main crack length and applied stress

2.3表面裂纹构形与相应的断口形貌之间的关系

从裂纹路径和断口形貌图6 (a) 和 (b) 可以看出, 裂纹路径与断口图路径具有对应关系。当缺口遇到片层取向有利的层团时, 裂纹沿层断裂;但当遇到不利的层团时, 沿层扩展将受到严重的阻碍, 裂纹将穿层扩展。

综上分析可知, 所有缺口试样大都是沿层断裂和穿层断裂的混合, 哪种类型的断裂起主要作用取决于层与拉伸应力方向之间的夹角。虽然穿层强度远远大于沿层强度, 但是在这种材料的断裂过程中, 拉伸轴的方向和层取向的关系最终决定它沿哪种方式发生起裂, 最终引起相应的断裂。当他们近似平行时, 裂纹沿层扩展将受到严重的阻碍, 此时拉伸强度已经达到穿层强度, 而沿层强度还是很低, 因此出现了这种沿层起裂而最终穿层断裂的情况, 同时裂纹尖端附近由于高应力引发大量微裂纹, 如图5 (b) 所示。从拉伸卸载过程可以看出, 直缺口试样裂纹萌生于缺口根部, V型缺口也从根部起裂。当主裂纹停在晶界时, 如果这个晶粒非常大, 新的裂纹将在裂纹尖端附近的高应力区域产生。随着外加载荷增加, 裂纹将通过穿层断裂连接在一起, 如果这个晶粒比较小, 裂纹可以沿着晶界继续扩展。因此整个试样断裂的方式是穿层断裂和沿层断裂的混合体。

3结论

1.对于缺口试样, 由于缺口根部应力集中和强化的作用, 易产生微裂纹。

2.这种材料的断裂过程是主裂纹首先起裂、扩展, 微裂纹的产生、扩展和连接直至断裂。

图5 V缺口试样Fl-s-10拉伸-卸载过程裂纹扩展行为

Fig.5 Crack propagation behaviors of V-notch specimen Fl-s-10 in tensile-unload process

图6 试样Fl-s-9的原位观察裂纹形态和断口形貌对应图 (a) 原位观察裂纹形态; (b) 断口形貌对应图

Fig.6 In situ observed surface cracks (a) of specimen fl-s-9 and corresponding fracture surface (b)

3.加载-卸载产生的损伤 (微裂纹) 使材料的整体性能弱化, 材料的断裂应力明显降低, 也就是说预损伤加快了裂纹的产生和扩展, 使损伤进一步加重, 促使材料抵抗裂纹产生、扩展的能力下降。

4.这种材料的断裂方式是沿层断裂和穿层断裂的混合体

参考文献

[1] 张永刚, 韩雅芳, 陈国良, 等.金属间化合物结构材料[M].北京:国防工业出版社, 2001.705.

[2] Toshimitsu Tetsui.Development of a TiAl turbocharger for passengervehicle[J].Materials Sciences and Engineering, 2002, A329-331:582.

[3] 曹睿, 陈剑虹, 张继, 等.近全层组织-αTiAl基合金的室温拉伸断裂机理的研究[J].稀有金属材料与工程, 2005, 34 (5) :696.

[4] Chen J H, Cao R, Zhang J, et al.Fracture behavior of precrackedspecimens of TiAl alloys[J].Materials science and Technology, 2005, 21 (5) :507.

[5] 朱浩, 曹睿, 陈剑虹, 等.不同预损伤对层状TiAl基合金断裂行为的影响[J].稀有金属, 2006, 30 (3) :313.