晶粒尺寸对γ-TiAl力学性能影响的纳米压痕研究

为研究纳米压痕过程中晶粒尺寸对γ-TiAl合金力学性能及变形行为的影响,利用Voronoi方法建立多晶γ-TiAl模型,采用分子动力学方法模拟压头压入不同晶粒尺寸模型的压痕过程,得到相应尺寸下的载荷-深度曲线,并计算了7种晶粒尺寸下γ-TiAl的硬度。结果表明：当晶粒尺寸小于9.9nm时,晶粒尺寸与硬度表现出反Hall-Petch关系,位错和晶界活动共同促使材料发生塑性变形,晶界活动起主导作用。当晶粒尺寸大于9.9nm时,晶粒尺寸与硬度符合Hall-Petch关系,晶界对材料变形影响较小,位错主导基体发生塑性变形。另外,分析了γ-TiAl在压痕过程中的应力传递和形变恢复过程,发现致密晶界网格结构能够有效抑制压痕缺陷及内应力向材料内部传递;晶粒尺寸越小,压头下方的内应力分布越均匀,沿压痕方向的弹性恢复比越小。     

晶粒尺寸对γ-TiAl合金力学性能影响的纳米压痕研究

为研究纳米压痕过程中晶粒尺寸对γ-Ti Al合金力学性能及变形行为的影响,利用Voronoi方法建立多晶γ-Ti Al模型,采用分子动力学方法模拟压头压入不同晶粒尺寸模型的压痕过程,得到相应尺寸下的载荷-深度曲线,并计算了7种晶粒尺寸下γ-Ti Al的硬度。结果表明:当晶粒尺寸小于9.9 nm时,晶粒尺寸与硬度表现出反Hall-Petch关系,位错和晶界活动共同促使材料发生塑性变形,晶界活动起主导作用。当晶粒尺寸大于9.9 nm时,晶粒尺寸与硬度符合Hall-Petch关系,晶界对材料变形影响较小,位错主导基体发生塑性变形。另外,分析了γ-Ti Al在压痕过程中的应力传递和形变恢复过程,发现致密晶界网格结构能够有效抑制压痕缺陷及内应力向材料内部传递;晶粒尺寸越小,压头下方的内应力分布越均匀,沿压痕方向的弹性恢复比越小。     

晶向对含空位单晶γ-TiAl合金拉伸性能的影响（英文）

采用分子动力学方法研究了含空位γ-TiAl合金沿不同晶向下的拉伸性能。通过一系列模拟分析了空位和晶向对力学性能和微观缺陷演化的影响,结果表明:晶向对含有Ti空位和Al空位模型的屈服应力和位错形核机制有明显的影响,在3个晶向上含Ti空位模型的屈服应力高于含Al空位模型。在单晶γ-TiAl合金的拉伸变形过程中,发现位错密度与堆垛层错数目具有相同的变化趋势。此外还讨论了温度对屈服强度的影响,随着温度的升高,材料的极限应力非线性下降,弹性模量明显降低。当温度越高时,晶向和空位缺陷对γ-TiAl合金极限应力的影响越小。     

单晶γ-TiAl中孔洞尺寸对裂纹扩展影响的分子动力学模拟

运用分子动力学方法研究单晶γ-Ti Al合金的裂纹扩展行为,模拟时采用嵌入原子势方法,结合原子轨迹图、能量演化图以及应力-应变曲线,分析不同孔洞尺寸对裂纹扩展过程的影响。结果表明:随着孔洞半径增大,裂纹的启裂应力值减小;裂纹与孔洞结合后,R=0.4001 nm时,孔洞变形后在孔洞边界的中心产生裂纹,沿[100]方向扩展至材料断裂,裂纹扩展中出现子母裂纹传播现象;R=0.8002 nm时,孔洞变形后在一角处产生裂纹,沿[100]方向扩展至材料断裂;R=1.2003 nm时,孔洞变形后在两个角处产生裂纹,沿[110]和[110]方向扩展,[110]方向裂纹扩展中出现子母裂纹传播现象,且边界产生子裂纹并与该方向裂纹汇合后扩展至材料断裂;此外孔洞抑制裂纹扩展。     

Ti-Al-Nb三元合金组织对力学性能的影响

通过合金设计的方法分别制备了具有单相(γ-TiAl)组织的合金A、二相(γ-TiAl+α2-Ti3Al)层片组织的合金B和三相(γ-TiAl+α2-Ti3Al+Nb2Al)混合组织的合金C3种Ti-Al-Nb三元合金,通过XRD、EPMA以及SEM等手段确定了这3种合金的组织结构和分布形态,并对这3种合金进行了室温和1173K的拉伸试验。结果表明,合金的显微组织与其性能密切相关,室温下合金B的塑性变形能力好于另外两种合金,这主要是因为α2相的存在降低了合金平均晶粒尺寸,由γ和α2两相构成的层片组织结构以及大量的γ/α2相界面。温度升高可以显著改善合金B的塑性变形能力,合金B在1173K时的拉伸延性达到40.4%,并且断裂方式从室温时的穿晶脆性断裂向1173K时的韧性断裂方式转变,而合金A、C不管在室温还是1173K,都显示出穿晶脆性断裂方式。合金C在室温和高温都很脆,是由于Nb2Al相的出现,降低了(γ+α2)两相层片组织的连续程度。     

不同空位浓度γ-TiAl合金剪切过程分子动力学模拟

利用分子动力学分析了不同空位浓度的Al空位和Ti空位对γ-TiAl合金剪切力学性能的影响，重点研究了含空位γ-TiAl合金的温度效应。结果表明，随着空位浓度增加，弹性模量没有太大变化，但剪切强度逐渐减小，且含Al空位γ-TiAl合金的剪切强度要高于含Ti空位γ-TiAl合金。在剪切过程中，材料偏向于离边界更近处的空位处形成位错源，进而向材料内部发射位错，并且出现了类似于宏观材料的颈缩现象。进一步分析了温度对空位浓度为0.5%的γ-TiAl合金剪切强度的影响，发现随着温度的增加，γ-TiAl合金剪切强度总体呈下降趋势。     

基于内聚力模型的 γ-TiAl合金中 γ/γ 界面裂纹扩展的多尺度模型

通过建立多尺度模型预测γ-TiAl合金中裂纹的扩展行为。利用分子动力学（MD）建立了真孪晶（TT）γ/γ界面模型,得到了界面内聚力区域（CZM）的本构参数;采用Voronoi方法生成了多晶γ-TiAl合金介观模型,将CZM本构参数耦合到该模型中,得到了对应的不含缺陷、含钝裂纹和钝裂纹+中心空洞缺陷的临界应力断裂云图,利用几何相似性平均了多晶模型和整体裂纹拉伸关系曲线并分析了γ-TiAl合金的损伤机理;根据连续介质假说建立了宏观有限元模型（FEM）,通过对紧凑拉伸试样模拟给出了力-位移曲线并得到了材料的断裂韧性。最后,将宏观有限元模拟得到的裂纹扩展行为与实验结果进行比较,验证了该模型的有效性。结果表明：在晶粒数比例相同的情况下,缺陷对整个近γ结构的强度有着显著的敏感性,同时该多尺度方法可以有效地连接不同尺度并预测裂纹的扩展。     

温度对2024铝合金蠕变行为的影响

研究不同温度下2024铝合金的蠕变行为,采用金相显微镜、扫描电镜以及透射电子显微镜观察蠕变后合金的微观组织变化。结果表明:在125～200℃蠕变温度下,当蠕变寿命接近100h时,2024铝合金的蠕变应力随着温度的升高明显下降;与125℃相比,150℃时合金的蠕变应力下降9.3%,在175℃时合金的蠕变应力下降30.3%;当蠕变温度为200℃时,该合金的蠕变应力下降幅度达到45.8%;在125～175℃下,合金在蠕变过程中的变形机制主要为位错在晶内的滑移;在200℃时,合金晶界开始发生滑移,合金变形由晶界滑移与位错在晶内的滑移协调完成;在合金蠕变断面上存在大量微孔,随着蠕变温度的升高,微孔的尺寸明显变大,当微孔尺寸超过3μm时,微孔对合金的断裂机制有显著影响;在125和150℃下,合金的蠕变断口呈现韧窝型穿晶断裂特征;在175和200℃下,合金的蠕变断口呈现沿晶断裂特征。     

超细晶/纳米晶γ-TiAl基合金的流变行为研究

摘要：本文采用高能球磨及真空热压烧结方法制备超细晶/纳米晶双相γ-TiAl基合金。将Ti、Al、Nb单质粉末经25h高能球磨配制成名义成分为Ti-45Al-5Nb(at.%) 的纳米级混合粉末。球磨后的混合粉末经真空热压烧结（烧结温度1200℃,压力30MPa,保温保压1h）,原位合成Ti3Al 及γ-TiAl双相等轴状合金组织,烧结组织由小于500nm的等轴γ-TiAl相和纳米晶Ti3Al相组成。利用Gleeble-1500D对合金进行热压缩模拟实验,变形温度为1100℃-1200℃、应变速率10-4-10-2s-1,研究该合金压缩组织及流变行为。研究结果表明：与γ-TiAl合金微米级晶粒组织相比,超细等轴双相TiAl+Ti3Al组织明显降低了流变峰值应力,使其在2-2.5%应变量时就达到最大,流变应力随应变速率的降低和温度的升高而降低。同时建立流变应力本构方程,反映一定条件下流变过程中材料的结构特性。随温度升高γ相的孪生倾向显著增加,形变主要发生在基体γ-TiAl相中,晶界滑移、位错及孪晶为等轴双相γ-TiAl合金的高温形变机制,动态回复和再结晶为其软化制。     

孪晶界对TiAl合金超音速微粒轰击影响的分子动力学模拟

TiAl合金因具有低密度、高比强度、高温抗氧化性等性能成为航空航天等领域最具潜力的高温轻质结构材料之一，但其具有本质脆性，在成型过程中易引入微裂纹、孔洞等缺陷，严重影响了其力学性能。超音速微粒轰击是新型表面改性技术之一，利用该技术研究了不同孪晶界数量和位置对TiAl合金力学性能和变形行为的影响。结果表明：不同孪晶界数量模型的屈服强度随孪晶界数量的增大而降低；孪晶界位置距模型上表面越近，材料屈服强度越低；随着孪晶界数量的增加，孪晶对位错运动的阻碍越明显，模型轰击后表面的塑性变形程度也越大，材料更易发生断裂；孪晶距离材料上表面越近，孪晶对位错生长的抑制越明显，进而影响材料强度；模型变形失效是位错与位错、位错与孪晶及其它缺陷共同作用的结果。     

高温处理对LF9合金组织及力学性能的影响

研究了不同热处理制度下η相和γ'相在LF9合金中的析出特征及其对合金性能的影响。结果表明:合金在820～940℃保温1 h水冷后,室温冲击韧度随加热温度的升高而提高,在940～980℃随加热温度的升高而降低,在980～1040℃随加热温度的升高,韧性急剧提高,这是合金中η相、γ'相以及贫γ'区综合作用的结果;合金在800℃时,γ'相尺寸约30 nm,随温度升高,γ'相长大,约980℃时尺寸达到最大值(120 nm),约1020℃时,γ'相完全回溶;820℃时次生η相从晶界析出并以片层形态沿晶界平行往晶内生长,约1040℃时,η相完全回溶。     

扭转角和晶向对含微缺陷纳米镍双晶断裂的影响EI北大核心CSCD

采用分子动力学方法研究了单轴拉伸载荷下扭转晶界(Twist boundary,TB)扭转角和晶向对含微缺陷的纳米镍双晶断裂的影响机理。结果表明:扭转角和晶向决定了扭转晶界处失配位错密度大小,影响位错的形核与发射。随着扭转角的增加,晶界处位错形核与发射增多,裂纹扩展加快,孔洞变形变小,镍双晶断裂从0°时由孔洞导致变为45°时由裂纹扩展导致。对含有不同晶向扭转晶界的镍双晶,(110)扭转晶界镍双晶相比于(010)和(111)扭转晶界镍双晶具有更大的裂纹扩展速率,塑形变形的集中也让孔洞长大不明显,并在应变达到0.3之前就已经完全断裂。而(110)与(111)扭转晶界镍双晶裂纹扩展较难,孔洞长大明显,并在应变达到0.3时也未发生完全断裂,因此拥有更好的延展性。     

铸造γ7-TiAl合金组织的尺寸效应

研究了铸造γ-TiAl合金组织的尺寸效应。结果表明,柱状晶宽度与铸造γ-TiAl合金板状试样厚度成线性关系,在3、4、5mm厚试样中的柱状晶宽度平均值分别为320、436、543μm;层片间距随铸造γ-TiAl合金板状试样厚度的增加而增加,层片组织的层片间距平均值分别为1353、1494、1540nm。同时,铸造γ-TiAl合金的显微硬度随板状试样厚度的增加而减小。试样尺寸的变化改变了凝固过程中的温度梯度,从而影响了试样的组织和显微硬度。     

固溶温度对FGH95镍基合金持久断裂机制的影响

通过对不同温度固溶处理的FGH95合金进行组织形貌观察及持久性能测试,研究了组织结构对合金持久性能及其断裂机制的影响。结果表明:经1150℃固溶和时效处理后,合金中有粗大γ′相在较宽的边界区域不连续分布,其周围存在γ′相贫化区;经1160℃固溶及时效处理后,合金中粗大γ′相完全溶解,在晶内弥散分布高体积分数的γ′相,并有粒状(Nb,Ti)C碳化物在晶内及沿晶界不连续析出;经1165℃固溶和时效后,合金的晶粒尺寸明显长大,并有硬而脆的碳化物膜沿晶界连续析出。在650℃/1034MPa条件下,经1160℃固溶和时效的合金,由于在晶界处不连续析出的粒状碳化物对晶界具有钉扎作用,可有效阻碍晶界滑移,使合金具有较好的抗蠕变性能。合金蠕变后期的变形特征是晶内发生单取向和双取向滑移,随着蠕变进行,滑移迹线增多,并在晶界处引起应力集中,致使裂纹在晶界处萌生及扩展并最终导致断裂。     

浇注温度对K417G合金组织及力学性能的影响

研究了不同浇注温度下的K417G合金试样。结果表明,1 450℃浇注,合金中碳化物以块状为主,γ′相边缘钝化,γ′尺寸为1μm左右;1 500℃浇注,合金中碳化物以长条形为主,γ′相边缘清晰,立方度较好,γ′尺寸为0.8μm左右。1 450℃浇注的合金屈服强度及断裂强度均高于1 500℃浇注的合金。合金拉伸裂纹主要产生于碳化物处,1 450℃浇注的合金,碳化物尺寸较小,产生裂纹需要的应力较大;1 500℃浇注的合金,碳化物细长,碳化物断裂所需应力较小。在760℃/645 MPa条件下,1 450℃浇注的合金,平均持久寿命可达到219 h,而1 500℃浇注的合金,平均持久寿命仅为25 h。前者的断裂方式为穿晶断裂,后者为沿枝晶断裂,断口上存在有部分疏松组织。     

往复挤压ZK60合金的低温准超塑性(英文)

通过2道次往复挤压制备细晶ZK60合金,在443~523K和初始应变速率为3.310-4~3.310-2s-1的范围内测试合金的低温超塑性。结果表明:往复挤压ZK60合金的平均晶粒尺寸约为5.0m,分布于基体内的破碎二次相颗粒和沉淀颗粒尺寸分别为不大于175nm和50nm。该合金具有低温准超塑性,在523K和3.310-4s-1应变速率下伸长率最大,为270%;在443和473K时,应变速率敏感系数m小于0.2;在523K时m为0.42。当温度不高于473K和523K时,超塑性变形激活能分别不高于63.2kJ/mol和110.6kJ/mol。当低于473K时,主要的超塑性流变机制为晶内滑移;在523K时,主要的超塑性变形机制为晶界滑移,由晶界扩散控制的位错蠕变为主要的兼容机制。     

GH4169D合金电子束焊接接头显微组织和持久断裂特征

采用金相显微镜和扫描电镜分析了GH4169D合金电子束焊接接头的显微组织,利用显微硬度计测试了母材、热影响区和焊缝的显微硬度,采用体式显微镜和扫描电镜研究了焊接接头持久断裂特征。结果表明,GH4169D母材中的主要析出相为1~20μm长的片层状晶界η相、30~80 nm的颗粒状γ′相和少量的碳氮化物。热影响区中的主要析出相为10~20 nm的颗粒状γ′相,几乎没有晶界η相。焊缝中为枝晶组织,枝晶间存在含有共晶组织的白色析出相,析出相尺寸为2~6μm,枝晶杆中含有10 nm以下的细小颗粒状γ′相。母材的显微硬度低于热影响区和焊缝,不同区域的显微硬度主要受γ′相尺寸的影响。焊接接头的持久断裂过程包括蠕变裂纹扩展、快速扩展和瞬断3个阶段,蠕变裂纹扩展区中为沿晶断裂,快速扩展区中为沿晶和穿晶混合断裂,瞬断区为穿晶断裂。蠕变裂纹扩展起始于试样表面的热影响区,热影响区中晶界η相含量低和裂纹尖端晶界氧化是导致焊接接头持久性能低于母材的主要原因。     

GH4738合金断口附近的组织特征与持久寿命的关联性研究

通过系列高温持久试验,结合光学金相显微镜、扫描电镜组织分析及EBSD分析,研究了GH4738合金持久断口附近晶粒尺寸分布、析出相及断口附近变形特性与持久寿命的关联性。结果表明,GH4738合金持久断口部位纵截面的组织特征与持久断裂的动态过程完全一致,更能反映高温裂纹扩展的过程,纵截面靠近断裂面部位,大都有沿晶界扩展的二次裂纹存在,与持久断口基本以沿晶解理断裂完全一致。对比夹持部位及断裂部位晶界碳化物及晶内γ'相分布,发现两部位晶界碳化物及晶内γ'相的大小、数量均无明显差异,晶界晶内相分布对高温持久性能影响较小。初始晶粒(即持久试样夹持部分晶粒)分布是影响持久寿命的主要原因,初始晶粒尺寸较大,持久变形机制以晶界滑移及晶内协调,因而持久寿命较长;初始晶粒尺寸较小时,持久应变主要集中于晶界,应变集中明显,极易出现裂纹而显著降低合金的持久寿命。     

基于γ′相尺寸的新型Ni-Cr-Co基合金高温变形行为研究

本文在600 ℃、5×10_^-4 s_^-1条件下对不同γ′相尺寸的毫米级粗晶新型Ni-Cr-Co基合金进行高温拉伸实验,并结合OM,SEM和TEM研究γ′相尺寸对合金高温变形行为和锯齿流变效应的影响。结果表明,γ′相尺寸对合金力学性能影响显著,随着γ′相尺寸的增加,材料强度呈先提高后降低的趋势,合金的主要变形机制由位错切过γ′相转变为位错绕过γ′相;当γ′相尺寸持续增加时,位错运动受阻难以绕过γ′相,溶质原子钉扎可动位错,当应力增大至一定程度时位错脱钉,反复的钉扎与脱钉即动态应变时效导致合金在变形过程中出现锯齿流变效应。可通过调控γ′相尺寸弱化,当γ′相平均尺寸为57.18 nm时,锯齿流变效应微弱,临界应变最大,力学性能较高,因此γ′相最佳尺寸为57.18 nm。     

含空位γ—TiAl合金沿不同晶向拉伸特性研究

采用分子动力学模拟方法研究了含空位缺陷的γ-TiAl合金在不同晶向下的拉伸行为。通过一系列模拟分析了空位和晶格取向对力学性能和微观缺陷演化的影响。结果表明，晶向对Ti和Al空位的临界应力有明显的影响。含Ti空位模型的屈服应力高于含Al空位模型。在单晶γ-TiAl合金的变形过程中，发现位错密度与堆叠错数具有相同的变化趋势。此外，还讨论了温度对屈服强度的影响。随着温度的升高，材料的极限应力呈非线性下降，弹性模量明显降低。温度越高，晶体向和空位缺陷对极限应力的影响越小。