TiC颗粒增强钛基复合材料的内应力对材料机械性能的影响

摘要

在颗粒增强钛基复合材料的制备过程中，TiC粒子在钛基复合材料中具有潜在的作用，这是由于它在钛基体中较好的热稳定能力和相对的化学稳定性。但是TiC颗粒和Ti基体之间存在着结构不匹配和热力学不匹配关系，其中热膨胀系数的不匹配使复合材料从高温制各温度和热处理温度冷却到低温状态可导致不同的残余内应力存在。并且这种残余内应力足以影响材料的机械性能。 本文通过X射线sin2Ψ法无损地、简便地对Ti6Al4V+7wt％TiC(T64)、Ti3Al2.5V+7wt％TiC(T32)及Ti5Al2.5Sn2Zr0.5MoNb+3wt％TiC(T650)等三种TiC颗粒增强钛基复合材料进行了不同热处理状态下的残余内应力测试与分析，并以此进行了残余内应力对三种复合材料机械性能的影响、复合材料形变的应力—应变的本构特征、残余内应力对复合材料强化位错的贡献、以及影响复合材料断裂机制进行了研究，由此得到以下结果： (1)利用X射线sin2Ψ法，分别对不同温度热处理后的T64、T32及T650进行残余内应力分析发现：T64、T32及T650等复合材料在800-900℃以下温度处理和以上温度处理时，基体Ti-α相和TiC颗粒上将感生不同性质的残余内应力，并随着热处理温度的升高，感生残余内应力将逐渐增大，且这一残余内应力的转变温度点随基体材料的变化而有所漂移。根据Eshelby模型得出，在残余内应力的转变温度以下或以上进行热处理，基体钛合金的热膨胀系数和增强相(TiC)的热膨胀系数随热处理温度而变化。 (2)通过对材料不同热处理的室温拉伸性能、冲击韧性和高周疲劳性能对比分析表明，材料的抗拉强度、冲击韧性和高周疲劳性能随材料中残余内应力的增加而增加。分析表明，由于TiC在复合材料中主承载相的作用，随着TiC颗粒上感生残余压应力的增加，则需要更大的外加载荷同压应力相叠加，才能使复合材料屈服，残余内应力得以释放。 (3)利用X射线sin2Ψ法测试了T64在不同热处理实验后的本征应力—应变曲线发现：材料在外载荷作用下，增强相TiC上的承受的载荷高于基体Ti-α相，从而证明复合材料在受外加载荷过程中TiC颗粒所起的主承载相作用。 (4)TiC颗粒在复合材料中的本征变形承载载荷小于TiC颗粒的弹性理论变形承载载荷，而基体Ti-α相在复合材料中的承受载荷则要高于未增强的基体材料。可见高含量增强体的复合材料具有较高的应力应变硬化速率，而残余内应力松弛率随材料应变量增加而降低。 (5)通过对不同热处理的复合材料位错分析可以得出：复合材料的强化除了模量强化、界面原子错配强化外，复合的两相之间的热膨胀系数不匹配而导致弹塑性变形出现残余内应力而引发基体中位错增殖，是复合材料强化的重要因素。 (6)通过对增强相TiC颗粒在复合材料断裂中的作用分析可以得到，复合材料断裂的裂纹萌生及扩展是和TiC颗粒的性质密切相关。裂纹的萌生可发展于TiC颗粒本身的缺陷、TiC/Ti界面、基体中的残余内应力可为裂纹的扩展提供动能，而感生于增强颗粒和基体上沿球型颗粒径向的残余压应力对裂纹的扩展有抑制作用。

目录

文摘

英文文摘

论文的创新与贡献

第1章绪论

1.1金属基复合材料的发展现状

1.1.1钛基复合材料的发展

1.2残余内应力的产生

1.2.1残余内应力的产生及分类

1.3内应力对材料性能的影响

1.3.1残余内应力对材料静强度的影响

1.3.2残余内应力对材料应力腐蚀的影响

1.3.3残余内应力对疲劳性能的影响

1.4多晶体中残余内应力的测定

1.4.1多晶材料残余内应力测试方法

1.4.2多晶材料X射线残余内应力的测试

1.5复合材料中残余内应力的分析

1.5.1复合材料中残余内应力的模型分析

1.5.2 Eshelby方程

1.6残余内内应力测试方法的进展

1.6.1钛基复合材料残余内应力的研究现状

1.7选题背景及意义

1.7.1本文的主要研究内容

1.7.2工作的特点及难点

参考文献

第2章MMCs残余内应力的X射线测试

2.1 X射线的测试方法及基本原理

2.1.1 X射线衍射应力分析的基本原理

2.1.2实验标定X射线弹性常数

2.2本章研究内容

2.3实验设备及方法

2.4实验结果和讨论

2.4.1微观形貌

2.4.2组织分析

2.4.3 X射线衍射内应力分析

2.4.4内应力分析模型

2.5内应力的理论分析

2.5.1错配应力

2.5.2不均匀热收缩的错配应变

2.5.3不同状态下的组织变化对内应力的影响

2.6点阵畸变以及亚晶变化

2.7本章小结

参考文献

第3章颗粒增强钛基复合材料的残余内应力对性能的影响

3.1内应力对材料静强度和变形的影响

3.1.1内应力对金属基复合材料屈服的影响判据

3.2内应力对复合材料静拉伸强度的影响

3.3复合材料的内应力对复合材料冲击韧性的影响

3.4内应力对复合材料疲劳性能的影响

3.4.1热处理造成的残余内应力对疲劳性能的影响

3.4.2残余内应力对试样疲劳极限影响的分析

3.5本章小结

参考文献

第4章MMCs的本征应力—应变方式

4.1颗粒增强钛基复合材料的强度研究发展

4.2颗粒增强金属基复合材料应力---应变关系及屈服强度的研究

4.3本章研究内容

4.4测量原理

4.5实验方法

4.5.1 X射线衍射拉伸试验

4.5.2试验结果与讨论

4.5.3复合材料的弹塑性模型

4.6应变加载过程中残余内应力的松弛

4.6.1内应力的松弛机理

4.6.2松弛的微观机制

4.7不同增强剂含量的应力随应变的松弛

4.8本章小结

参考文献

第5章内应力对复合材料位错的影响

5.1残余内应力影响形变位错的研究发展

5.2位错密度和内应力的关系

5.3内应力的松弛及位错重排

5.4热内应力对位错结构的影响

5.5基体硬化过程中的位错结构变化

5.6内应力松弛对加工硬化的影响

5.6.1亚结构的加工硬化

5.6.2林位错的加工硬化

5.6.3强化项的联合作用

5.7热弹性应变和位错密度的关系

5.8内应力松弛繁殖位错机理

5.8.1位错形核机理

5.8.2在应力集中的地方生成位错

5.8.3通过不均匀变形形成的几何必须位错

5.9复合材料位错强化理论模型

5.9.1 Ashby模型

5.10本章小结

参考文献

第6章内应力对复合材料失效的影响

6.1复合材料的断裂机理

6.1.1复合材料的断裂形核

6.1.2复合材料的裂纹扩展

6.2残余内应力在破坏中的表现

6.2.1温度在残余内应力影响脆性破坏中的作用

6.2.2构件断面尺寸在残余内应力影响脆性破坏中的作用

6.3复合材料的断裂过程和失效机理

6.3.1显微损伤过程

6.4孔洞形核的模型

6.4.1孔洞形核所需要的宏观应变

6.4.2孔洞扩展所需的宏观应变

6.4.3孔洞长大速率

6.5内应力对疲劳断裂的影响

6.5.1残余内应力对疲劳裂纹萌生的影响

6.5.2残余内应力对疲劳裂纹扩展的影响

6.6残余压应力场中裂纹张开、闭合分析

6.7本章小结

参考文献

结论

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢

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