简介概要

不同应变速率下TiAl基合金压缩断裂行为的研究

来源期刊：稀有金属2008年第4期

论文作者：陈剑虹张继张君峰曹睿李雷

关键词：TiAl基合金; 应变速率; 压缩断裂;

摘要：通过力学性能测试和扫描电镜观察, 研究了全层组织和双态组织γ-TiAl基合金在不同应变速率下的压缩断裂行为.结果表明: 室温下其压缩性能远远优于拉伸性能, 且表现出一定的塑性;材料的力学性能参数对应变速率非常敏感, 当应变速率逐渐增加时, 全层组织的屈服强度和抗压强度均呈增大趋势;而双态组织在应变速率由静态、准静态到动态的变化范围内, 屈服强度和抗压强度的值先减小后增大, 当应变速率ε'=9.8×10-4 s-1时, 屈服强度和抗压强度的值达到最小;试样的最终断裂是通过裂纹的形核、扩展以及相互贯通而形成的, 断裂面主要由剪应力形成的剪切无定形断裂特征和正应力形成的解理断裂特征组成, 并且在不同应变速率下其断口也呈现出规律性的变化.

稀有金属 2008,(04),409-414 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2008.04.014

不同应变速率下TiAl基合金压缩断裂行为的研究

曹睿张继陈剑虹张君峰

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

钢铁研究总院高温材料研究所

摘要：

通过力学性能测试和扫描电镜观察, 研究了全层组织和双态组织γ-TiAl基合金在不同应变速率下的压缩断裂行为。结果表明:室温下其压缩性能远远优于拉伸性能, 且表现出一定的塑性;材料的力学性能参数对应变速率非常敏感, 当应变速率逐渐增加时, 全层组织的屈服强度和抗压强度均呈增大趋势;而双态组织在应变速率由静态、准静态到动态的变化范围内, 屈服强度和抗压强度的值先减小后增大, 当应变速率ε′=9.8×10-4s-1时, 屈服强度和抗压强度的值达到最小;试样的最终断裂是通过裂纹的形核、扩展以及相互贯通而形成的, 断裂面主要由剪应力形成的剪切无定形断裂特征和正应力形成的解理断裂特征组成, 并且在不同应变速率下其断口也呈现出规律性的变化。

关键词：

TiAl基合金;应变速率;压缩断裂;

中图分类号： TG115.53

作者简介：曹睿 (E-mail: caorui@lut.cn) ;

收稿日期：2007-10-15

基金：国家自然科学基金 (50471109);甘肃省自然科学基金 (3ZS061-A25-037) 资助项目;

Study on Compressive Fracture Behaviors of TiAl-Based Alloys at Different Strain Rates

Abstract：

The compressive deformation and fracture behaviors of fully lamellar and duplex structure-TiAl based alloys at different strain rates were investigated by measurements of mechanical properties and SEM observations.The study results indicated that: the compressive properties of the TiAl based alloys were much better than their tensile properties at room temperature, and larger plastic deformation was demonstrated in compressive tests;Parameters of mechanical properties of the material were sensitive to strain rate.With the strain rates increasing, both of the yield strength and compressive strength of fully lamellar structure increased;but it was different from duplex structure, yield strength and compressive strength of which decreased in the range of static state and quasi-static state, and reached the lowest value at the strain rate of 9.8×10-4 s-1, and then yield strength and compressive strength increased with the strain rates increasing in the range of dynamic state.At the compressive condition, the fracture of the specimens happened through the process of crack nucleation, growth, propagation and connection of each others.The fracture surface consisted of shear fracture surface without distinct pattern produced by shear stress and cleavage fracture surfaces produced by tensile stress, and the surface showed regular changes at different strain rates.

Keyword：

TiAl-based alloys;strain rate;compression fracture;

Received： 2007-10-15

TiAl基合金具有较高的比强度、比模量以及较高的高温强度和抗蠕变能力, 使其成为一种有很大发展潜力的高温结构材料 ^[1,2,3] 。然而其作为一种金属间化合物, 也存在一些性能缺陷, 如室温脆性和成形性能较差, 包括冷、热加工性能和铸造性能使其在工业实际应用中受到很大的限制 ^[3] 。近年来通过微合金化、显微组织控制或一些先进的工艺手段, 使其室温性能有了较大的改善 ^[4,5,6] 。目前来说, TiAl基合金的拉伸断裂机理方面的研究已经比较成熟, 许多学者对此进行了大量的研究工作, 得出了比较完整的理论。然而涉及应变速率对机械性能的影响以及压缩变形行为方面的实验研究报道却很少, 文献 [ 7] 指出TiAl合金在压缩变形时开裂行为与应变速率有密切的关系, 当应变率为5×10^-3 s^-1 (准静态范围内) 时, 沿着压缩轴方向出现很多且比较大的微裂纹; 但是在动态压缩 (应力速率为2～4×10³ s^-1) 时, 出现较小的少量沿层微裂纹。结合由TiAl基合金材料制作的增压涡轮器的运行环境, 研究其在不同应变速率下的压缩变形行为有着重要的参考意义, 因此本文就此展开了初步的分析和讨论。

1 材料及方法

本实验所用材料化学成分为Ti-47.5Al-2.5V-1.0Cr, 其微观组织如图1所示。首先用CKX-2AJ型电火花线切割机切成尺寸为5 mm×5 mm×12.7 mm的方棒压缩试样, 然后在SHIMADZUAG-10T万能试验机上进行室温下的压缩断裂试验, 压缩之前试样两端涂抹润滑油以减小摩擦力的影响, 应变速率变化范围为4.2×10^-2～9.8×10^-6 s^-1。试验机自动记录加载时的载荷-位移曲线, 然后经过转化得出名义应力-名义应变曲线图, 通过曲线测量材料的屈服强度σ_0.2, 抗压强度σ_max等力学性能参数。最后利用JSM-6700F场发射扫描电镜对不同应变速率下的断口进行观察。

图1 γ-TiAl基合金显微组织结构

Fig.1 Microstructure of γ-TiAl based alloy

(a) Fully lamellar; (b) Duplex

2 结果与分析

2.1 压缩宏观试验结果及分析

两种组织在不同应变速率下的力学性能参数 (屈服强度σ_0.2, 抗压强度σ_max和抗压强度处对应的最大应变σ_max′以及单位体积断裂功W′_f) 的变化曲线如图2和3所示。

由图2 (a) 和图3 (a) 可知: 对于全层组织, 材料的屈服强度σ_0.2和抗压强度σ_max均随应变速率的增大而增大, 而双态组织在应变速率由静态、准静态到动态的变化范围内, 屈服强度σ_0.2和抗压强度σ_max的值先减小后增大, 当应变速率在准静态范围内 (ε?=9.8×10?4s?1) 时, 屈服强度σ_0.2和抗压强度σ_max的值达到最小。文献 [ 8] 中也报道了双态组织γ-TiAl基合金在拉伸下的性能参数随应变速率变化的相同情况。由此看来, 无论全层组织还是双态组织, 其屈服强度σ_0.2和抗压强度σ_max均对应变速率很敏感。

图2 (b) 和图3 (b) 显示了两种组织在抗压强度处对应的最大应变ε′_max以及单位体积断裂功W′_f随应变速率变化的情况。双态组织所对应的最大应变以及单位体积断裂功均明显高于全层组织, 这与双态组织具有均匀细小的晶粒有关。然而对于同种组织下的材料在不同的应变速率下压缩变形断裂过程中吸收的能量和发生的塑性应变都基本相同, 说明此种材料在压缩状态下发生的脆性断裂是受裂纹的扩展控制的。结合文献 [ 9] 可看出其压缩性能和拉伸性能也存在着很大的差异, 压缩性能远远好于拉伸性能。姚可夫等 ^[10] 研究了层片状双相TiAl合金的拉伸与压缩变形行为的差异, 指出拉压变形条件下, 室温塑性的显著差异是由外载荷与片层界面的夹角不同以及内部裂纹的扩展路径不同而造成的, 而文献 [ 9] 也给出了拉压情况下存在差异的原因: 拉伸时弹性阶段产生大量微裂纹引起材料的损伤, 从而导致了材料在拉伸情况下表现出较差的力学性能。拉伸性能和压缩性能存在较大差异的原因在于两种加载方式下材料抵抗变形及断裂的能力不同, 即变形机制的不同: 裂纹扩展形态的不同最终影响了断口形态的差异, 此实验中得到的断口形态与拉伸时呈现的断口形态有所不同。这进一步说明了材料在压缩过程中内部裂纹的扩展完全不同于拉伸时的情况, 即压缩时所产生裂纹的扩展需要较大能量的积累过程, 从而改善了材料的力学性能。

图2 全层γ-TiAl合金宏观力学参数随应变速率的变化曲线

Fig.2 Relationship between strain rate and mechanical parameters of fully lamellar γ-TiAl based alloys

(a) Yield strengthσ_0.2; (b) Fracture strengthσ_max

图3 双态γ-TiAl合金宏观力学参数随应变速率的变化曲线

Fig.3 Relationship between strain rate and mechanical parameters of duplex γ-TiAl based alloys

2.2 微观断口观察结果及分析

从试样最后断裂后的宏观形态来看, 随着应变速率的增加, 双态组织的断裂类型逐渐从正断过渡到剪断, 而全层组织的断裂类型基本全属于剪断, 如图2 (a) 和图3 (a) 所示。

图4和5为全层γ-TiAl基合金在不同应变速率下的断口特征, 整个宏观断裂面由平坦的区域A和粗糙断面区域B组成, 如图4 (a) 和图5 (a) 所示。图4 (b) 和5 (b) 为A区域的放大图, 主要表现为压缩时剪应力形成的撕裂区, 形成无定形态断口, 并有很多滑移线, 这在一定程度上说明即使这种材料在拉伸时塑性变形能力很差, 但在压缩时由于受到剪应力作用仍然能表现出很大的塑性变形能力。图4 (c) 和5 (c) 为B区域的放大图, 主要表现为拉伸应力形成的解理断裂区域, 在应变速率较大时, 出现典型的穿层解理面, 并没有出现明显的“河流花样”现象, 如图4 (c) 所示; 然而在应变速率较小时, 出现很多的沿层解理面, 如图5 (c) 所示。同时可以看出全层组织γ-TiAl基合金随着应变速率的增加其沿层断裂面逐渐减少, 而穿层断裂面逐渐增多, 即在动态压缩变形下, 试样内部产生的沿层裂纹数量较少, 但最后控制断裂的是穿层裂纹之间的连接和合并。全层组织由于晶粒尺寸较大, 沿着晶粒边界及沿层间开裂是最薄弱的环节, 所以说在应变速率较小的情况下, 裂纹有足够的时间选取断裂路径最薄弱的面开裂, 即形成的沿层断裂面的面积分数较大, 而当应变速率较大时, 材料内部在短时间内集聚了很大的能量, 因此在达到断裂载荷的瞬间, 试样发生整体断裂, 没有足够的时间让其慢慢开裂、扩展直到断裂, 所以这时的断口更加粗糙; 整个断口上有较多的穿层断裂面。

图6, 7为双态γ-TiAl基合金在不同应变速率下的断口特征。双态组织和全层组织的宏观断裂面相似, 都由剪应力形成的撕裂区 (图6, 7 (a) 箭头A所示) 和拉伸应力形成的解理断裂区 (图6, 7 (a) 箭头B所示) 组成。图6 (b) , (c) 和图7 (b) , (c) 分别是它们的放大图。当应变速率较大时, 试样最后断裂时的外观形态呈剪断和正断的混合状态 (图3 (a) ) , 从图6 (c) 中看出微观断口中含有少量的沿层断裂面和解理花纹, 断口大部分面积比较粗糙, 穿层断裂较多。在较大的应变速率下对应的断口中撕裂的迹象更加严重, 断口的粗糙程度增加, 这与此时的断裂应力较高是密切相关的; 当应变速率达到最小时, 断口呈正断形态 (图3 (a) ) , 且由图7 (c) 可以看出此状态下沿层断面明显增加, 沿层解理断裂起了主要作用, 这是由于裂纹在应变速率较小的情况下有足够的时间沿晶粒或层团的边界起裂和扩展造成的。从图7可知在较慢的应变速率下, 存在比较平坦的剪切面, 同时断裂形态主要由正应力引起的解理断面组成, 即由较多的沿层解理面和较少的穿层断裂面组成。郑瑞廷等 ^[11] 在研究常温下双态组织的拉伸断裂行为时指出, 断口呈现出沿晶起裂和穿晶解理的混合状态。与拉伸断口所不同的是, 压缩断口中存在剪应力造成的撕裂区, 且产生的二次裂纹更大、更密集。这也表明了材料在压缩过程中产生的大量裂纹在扩展过程中需要积累更大的能量, 从而使得材料的压缩性能远高于拉伸性能。

图4 全层γ-TiAl试样在应变速率为2.08×10-2 s-1时的断口照片

Fig.4 Fracture surface of fully lamellar γ-TiAl based alloys at strain rate of 2.08×10^-2 s^-1

图5 全层γ-TiAl试样在应变速率为1.04×10-3 s-1时的断口照片

Fig.5 Fracture surface of fully lamellar γ-TiAl based alloys at strain rate of 1.04×10^-3 s^-1

为了进一步分析压缩的变形断裂过程, 对其进行了不同载荷下的卸载试验。实验表明试样的压缩断裂破坏是通过裂纹的形核、扩展以及相互贯通而导致的。两种组织在裂纹的形核过程中表现出不同的程度, 且产生的损伤程度也不一样, 全层组织在小载荷下卸载时便有一定数量的沿层裂纹和平行于压缩轴方向 (水平方向) 上的裂纹产生, 随着卸载载荷的增大, 材料的塑性变形程度也明显增加, 试样表面出现大量的滑移线和挤出脊, 并且在挤出脊周围产生较大的45°方向裂纹, 裂纹之间相互贯通, 最后导致整个试样发生断裂 (如图8所示) ; 而双态组织试样在小载荷下的损伤并不严重, 表现出屈服强度和抗压强度的变化也不是太大, 而在较大载荷下卸载时表面裂纹密度才明显增大, 随着外加载荷的增大, 产生的裂纹很容易绕过晶粒, 在较短时间内扩展并最终形成大裂纹直至材料发生破坏。

图6 双态γ-TiAl试样在应变速率为1.96×10-2 s-1时的断口照片

Fig.6 Fracture surface of duplex γ-TiAl based alloys at strain rate of 1.96×10^-2 s^-1

图7 双态γ-TiAl试样在应变速率为9.8×10-6 s-1时的断口照片

Fig.7 Fracture surface of duplex γ-TiAl based alloys at strain rate of 9.8×10^-6 s^-1

图8 全层γ-TiAl试样表面裂纹

Fig.8 Exterior crack of fully lamellar γ-TiAl based alloys

3 讨论

全文通过对两种组织γ-TiAl基合金压缩断裂实验研究发现, 材料的力学性能参数对应变速率有很大的敏感性, 得出了γ-TiAl基合金的压缩性能和拉伸性能存在很大的差异, 并给出了相应的解释。同时不同应变速率下的断口也呈现出不同的形态, 随着应变速率的增加断口特征也表现出规律性的变化。最后通过恒定应变速率条件下的卸载实验揭示了材料的具体断裂过程是由裂纹的形核、扩展以及相互贯通而导致的。

对于全层组织材料来说, 层片间的结合力较弱, 在小载荷下就发生损伤, 表面很容易产生微裂纹, 并且由于晶粒尺寸较大, 试样在受压时, 随着应变速率的增加, 没有足够的时间通过起裂、变形而消耗更多的能量, 在达到断裂载荷的瞬间, 试样通过裂纹间的相互贯通而发生整体断裂, 所以断口比较粗糙, 撕裂的迹象也更加明显, 说明穿层断裂起了主导的作用。而对于双态组织来说在不同应变速率下断口中不仅包括穿层断裂和沿层断裂, 还包括河流状的解理断裂特征, 并且当应变速率越大时, 穿层断裂的情况就较多, 同时也形成比较平坦的无定形断裂特征; 而当应变速率较小时, 沿层断裂的比例增多, 基本不存在剪应力形成的无定形断裂特征。之所以两种组织随着应变速率不同所呈现的断裂形态不同, 一方面是由于在加载过程中试样与加载面间不可避免地存在摩擦力; 另一方面与试样本身组织结构的均匀程度有关, 由文献 [ 12] 知TiAl基合金的拉伸性能、断裂韧性与层取向和加载轴之间的角度有密切关系, 也即与TiAl合金具有明显的各向异性有关; 这些因素就决定了试样在变形过程中的受力情况, 因而也就决定了出现相应的断裂形态以及断口特征。加载过程中由于摩擦力的作用产生垂直于压缩轴方向的拉伸应力, 使得微裂纹更容易沿着压缩轴的方向起裂并扩展, 所以整个试样在压缩变形断裂过程中不仅仅受剪应力的作用, 而且还有垂直于压缩轴方向的正应力的作用, 因而在断口上出现了两种断裂形态: 压应力形成的剪切断裂特征和正应力形成的解理断口特征。