Ni3Al基定向凝固合金的力学行为及屈服准则研究

摘要

Ni3Al是目前研究最多，最有希望工业化的金属间化合物之一。它具有熔点高、比强度高、有较高的高温强度和蠕变抗力及抗高温氧化性等优异的力学性能，在航空及民用领域具有很好的应用前景。IC10合金是我国研制的新一代 Ni3Al基定向凝固高温合金，属于多相LI2型材料，优异的高温力学性能使其成为新一代航空发动机高温部件用结构材料之一。目前对IC10合金的研究主要是针对其定向凝固方向展开的，其塑性各向异性和拉-压非对称性以及屈服行为方面的研究还未见报道。显然，这些方面的研究具有重要的理论和工程实践意义。本文以 IC10合金为例，系统地研究了Ni3Al基定向凝固合金的力学行为，并针对LI2型材料屈服行为的特点，提出并建立了能同时描述材料的塑性各向异性及拉-压非对称性的屈服准则。本文的研究工作和得到的主要结论如下：
　　对IC10合金进行了不同方向的拉伸及压缩试验。包括：IC10合金凝固方向298K-1273K温度范围内的拉伸试验、室温下不同晶体取向的拉伸及压缩试验。通过这些试验，研究了IC10合金的屈服应力随温度及取向的变化规律，以及塑性各向异性和拉/压非对称性。结果表明：在一定温度范围内，IC10合金定向凝固方向的屈服强度随温度的增加反而升高，在1073K达到一个峰值926MPa，这种屈服反常现象也存在其他LI2型金属间化合物中。本文的试验表明，IC10合金的屈服反常行为相比没那么显著，当温度超过1073K后，IC10合金的屈服强度随温度的变化开始急剧下降。在屈服反常温度范围内，IC10屈服应力随温度的升高而增大的屈服反常行为机制与螺位错从{111}面交滑移到{010}面有关，可以用Kear-Wilsdorf理论进行解释，超过峰值温度后屈服应力的急剧下降则与{100}平面的宏观滑移有关。IC10合金与LI2型单晶在力学特性细节上存在差别，这与IC10合金在细观组织上存在相当大体积含量的?相有关。另外，IC10合金还具有明显的塑性各向异性，即其屈服应力随取向的变化而变化。不同取向的拉伸和压缩试验表明：IC10合金具有明显的拉-压非对称性，即SD效应。
　　采用十字形双向加载试验件对定向凝固高温合金IC10进行了双向拉伸及压缩试验，获得了材料在双向拉伸及双向压缩应力状态下的屈服轨迹，并与现有的屈服准则预测结果进行了比较。结果表明：IC10合金的试验屈服轨迹关于双向等拉线呈非对称性，表现出明显的塑性各向异性；此外，IC10合金的屈服轨迹还具有明显的拉-压非对称性。各向同性的von Mises屈服准则预测结果与IC10合金的试验屈服轨迹相差甚远，无法描述其屈服行为。现有的各向异性屈服准则有的可以很好地描述IC10合金在双向拉伸应力状态下的屈服行为，但在双向压缩区偏差较大。传统的各向异性屈服准则一般是基于拉-压对称提出的，因此无法描述IC10合金的SD效应。
　　基于多相LI2型材料屈服行为的特点，对经典的Barlat&Lian准则进行了改进，使其能同时描述材料的塑性各向异性及拉-压非对称性。改进的Barlat&Lian准则理论屈服轨迹与IC10合金在平面应力状态下的屈服试验结果对比表明：该准则能很好地描述IC10合金的屈服行为，可以用于描述LI2型材料的屈服行为。
　　针对LI2型材料屈服行为的特点，提出并建立了一个能同时描述材料的塑性各向异性及拉-压非对称性的屈服准则。首选构造了一个与静水压力无关、能描述材料拉-压非对称性的宏观各向同性屈服准则。该准则只包含一个能用材料拉伸和压缩屈服应力确定的材料常数c。当材料拉-压对称时（c=0），该准则退化为von Mises屈服准则。其次，利用Cazacu的广义应力偏量不变量02J，将其推广到正交各向异性，建立了一个能同时描述材料的塑性各向异性及拉-压非对称性的宏观屈服准则。该准则能用于3-D应力状态，只包含6个表征塑性各向异性及3个表征拉-压非对称性的材料常数。给出了屈服准则材料常数的计算公式，所有常数都能通过简单力学试验确定。当材料拉-压对称时，该准则退化为Hill二次式屈服准则。因此，本文提出的准则可看作 Hill二次式屈服准则向拉-压非对称材料的推广。对Cu-Al-Be记忆合金及Ni3Al基金属间化合物IC10合金的应用表明，本文提出的屈服准则能很好地描述这两种合金的塑性各向异性及拉-压非对称性。相比其他学者提出的能描述材料SD效应的屈服准则，本文提出的准则形式简单，具有较重要的理论及工程应用意义。