高应变率下Ni-Ti合金力学性能及微观组织研究

摘 要: 利用INSTRON5985电子万能试验机和分离式Hankinson压杆冲击加载装置对Ni-Ti形状记忆合金棒材进行准静态和动态力学性能研究,并通过XRD、光学显微镜、SEM等微观分析方法对不同状态下的微观组织结构进行分析。结果表明：Ni-Ti合金原始组织存在B2奥氏体相、B19’马氏体相、Ni3Ti4相,晶粒细小且呈等轴分布;准静态压缩和动态压缩均发生应力诱发马氏体相变,但动态压缩应力-应变曲线无屈服平台出现,存在应变率硬化效应;在一定的应变率范围内,随着应变率的提高,晶粒内条纹状组织增多,应力诱发马氏体相变程度增大。     

析出相形态对Ni-Ti形状记忆合金力学性能的影响

对室温奥氏体相NiTi形状记忆合金进行热处理,在300和500℃时效温度下,分别获得具有粒状和针状Ni4Ti3析出相的组织特征,对两种组织的合金进行准静态和动态力学性能研究,对比分析析出相形态对奥氏体NiTi形状记忆合金静动态力学行为的影响规律。结果表明,准静态拉伸加载下,随应变率的提高,两种组织的应力诱发马氏体相变过程均呈现明显的应变率效应,对比分析发现,针状组织的NiTi合金发生应力诱发马氏体相变的初始应力值低,材料塑性好,抗拉强度高;准静态压缩加载时,两种组织的力学性能相近;动态压缩加载时,针状组织的动态压缩屈服强度显著高于粒状组织,但是由于粒状组织马氏体塑性变形阶段表现出更强的应变硬化效应,导致二者的动态抗压强度值相近。论文对相关机理进行了讨论和分析。     

基于平面应变压缩下的镍钛铁形状记忆合金的机械诱发马氏体相变（英文）

基于等通道模具压缩,镍钛铁形状记忆合金经历平面应变压缩变形。通过大塑性变形,可以形成机械诱发马氏体、纳米晶和非晶相。机械诱发马氏体相变明显不同于传统的应力诱发马氏体相变。机械诱发马氏体经常发生在位错滑移之后,而应力诱发马氏体相变发生在位错滑移之前。B19'马氏体的出现有助于镍钛铁形状记忆合金后续塑性变形的协调性。局部高应力场的存在导致部分机械诱发B19'马氏体的稳定,因而在卸载条件下,B19'马氏体无法逆相转变成B2奥氏体。     

Ni-Ti形状记忆合金侵彻变形与断裂研究

研究了Ni-Ti形状记忆合金在高速冲击条件下的侵彻过程。利用光学显微镜对Ni-Ti形状记忆合金在高速冲击后的微观组织进行考察,分析Ni-Ti合金板材的损伤和断裂。结果表明:奥氏体相为基的Ni-Ti形状记忆合金板材,在高速冲击过程中,发生应力诱发马氏体相变;板材内形成剪切带、微裂纹等形式的损伤,导致材料发生变形和破坏;裂纹按着微孔洞聚集型机制扩展。     

不同原始组织TC6钛合金高温变形微结构演化及其力学性能

采用gleeble-1500热模拟试验机和Hopkinson压杆,对具有4种典型组织的TC6钛合金分别进行了高温准静态压缩和室温动态压缩试验,结合TEM观察,研究了不同原始组织的TC6钛合金高温变形微结构演化及其力学性能。结果表明:具有4种典型组织的TC6钛合金高温变形时随温度升高微结构的演化可分为等轴型组织演化和网篮型组织演化,前者演化过程为:等轴α相的拉长变形—动态再结晶—动态再结晶晶粒长大—α/β相变;后者演化过程为:板条状α相弯曲变形—板条状α相断裂—动态再结晶—动态再结晶晶粒长大—α/β相变,板条状α相变成短棒状。位错活动及动态再结晶是控制4种组织的TC6合金在高温变形过程中组织演化和力学性能的重要因素;网篮组织晶界众多,位错运动障碍较多,在高温下具有较其余3种组织更高的流变应力;等轴组织α相晶粒较大,位错运动障碍较少,其流变应力在4种组织中最低;双态组织、固溶时效组织的流变应力介于等轴组织与网篮组织之间。4种组织的TC6钛合金的室温动态力学性能均对应变率较敏感。4种组织的TC6钛合金在室温及应变率为2500～4000s-1动态压缩条件下,塑性由大到小依次为:等轴组织、双态组织、固溶时效组织和网篮组织,流变应力由大到小依次为:固溶时效组织、双态组织、网篮组织和等轴组织。     

304不锈钢棘轮变形过程中应变诱发马氏体相变行为研究

利用OM, SEM和XRD对单轴非对称应力循环下304不锈钢棘轮变形过程中的微观组织变化进行了实验观察. 结果表明: 304不锈钢棘轮变形过程中,当棘轮应变达到一定值后会 产生应变诱发马氏体相变, 形成板条状 马氏体,并且随循环周次的增加, 形成的应变诱发 马氏体相对量逐渐增加.因马氏体相变而诱发的塑性变形对总的棘轮变形量产生一定的影响,材料的棘轮应变应由两部分组成, 即应力引起的塑性应变和相变诱发的塑性应变.     

高温退火对Ti-50.84at%Ni合金紧箍环组织及性能的影响

用示差扫描热分析(DSC)、XRD、光学显微镜等方法研究了850 ℃退火对Ti-50.84at%Ni合金紧箍环显微组织、相变特征和形状恢复率的影响.结果表明,Ti-50.84at%Ni合金锻造态和退火态组织都以Ni-Ti基体母相(B2)为主,而锻造后深冷处理则以Ni-Ti基体马氏体相(B19')为主,3种状态都含有少量的Ni4Ti3相.850℃退火后,合金中Ni4Ti3相减少且细小弥散,产生了较大的反相变应力,并增加了基体中的Ni含量,使得合金的马氏体转变温度(Ms)明显降低,且与R相变分离.高温退火消除了合金中的位错等缺陷有利于马氏体逆相变的进行,从而提高了紧箍环的形状恢复率和恢复力.     

应变速率对β固溶Ti-10V-2Fe-3Al合金应力诱发马氏体相变的影响

研究应变速率对β固溶处理的Ti-10V-2Fe-3Al合金应力诱发马氏体相变的影响。结果表明,随着应变速率由5×10-4 s-1增加到1 500 s-1,合金都发生应力诱发马氏体转变,且诱发应力随着应变速率的增加而增加。金相形貌及XRD分析显示,在所有的应变率下,合金拉伸后的微观组织均由针片状α″相和β基体相组成。应用热激活界面运动模型及拉伸过程的温度升高解释了随着应变速率的增加,诱发应力增加的现象。     

47Zr-45Ti-5Al-3V合金的应力诱发马氏体转变行为研究

本文采用Gleeble 3500热模拟试验机和D/MAX-2500/PC型X射线衍射仪研究了亚稳态β相47Zr-45Ti-5Al-3V合金室温压缩变形过程中的应力诱发马氏体转变行为。结果表明,在压缩变形过程中,应力诱发马氏体的数量随应变速率和初始β相晶粒尺寸的降低而增加。随应变速率和初始β相晶粒尺寸的增加,应力诱发马氏体的触发应力逐渐增加,而抗压强度逐渐降低。加工硬化率随真应力的变化曲线可分为三个阶段,第二和第三阶段的加工硬化率随应变速率和初始β相晶粒尺寸的降低而增加。     

无压浸渗制备Si3N4/Al-AlN复合材料的动态性能

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对无压浸渗制备的Si3N4/Al-AlN复合材料进行不同应变速率下的动态压缩实验,并与准静态压缩实验相比较;利用X射线衍射仪和扫描电子显微镜分析了复合材料的相组成和断口形貌.结果表明:Si3N4/Al-AlN复合材料的准静态压缩强度和断裂应变均高于动态压缩,分别达到1 748MPa和10.87%;在动态压缩中,当应变率从740提高到1 850,压缩强度稍有提高,断裂应变则增大1倍,达到7.6%,具有明显的应变率效应.准静态压缩中复合材料发生粉碎性解体而动态压缩中主要为劈裂,断裂面平整;微观断裂机制为解理脆断和韧性撕裂,随着应变率增加,断口上韧性撕裂形貌增加.复合材料内Si3N4与Al-Mg合金熔体的置换反应产物AlN相的大量存在是复合材料在高应变率冲击压缩载荷下显现由脆至韧转变的重要原因.     

应力松弛对应变诱发马氏体相变影响的有限元模拟

在基于新型淬火-分配-回火(Q-P-T)钢微观组织的有限元模型中,建立了产生马氏体相变的一维应变等效模型,模拟了单轴拉伸条件下的相变诱发塑性(TRIP)效应,由此揭示了该效应的微观机制.TRIP效应产生的应力松弛有效地缓解了未转变的残余奥氏体和邻近马氏体的应力,阻止了裂纹的形成,并使较多的残余奥氏体在较大的应变下存在,这是TRIP效应的起因;模拟结果还显示,相变形成的新(应变诱发)马氏体比原始(热诱发)马氏体承载更大的应力,由此预测裂纹首先在新马氏体中或其边界处形成.应力松弛效应使应变诱发马氏体断续缓慢地生成,这与实验观察结果相符.通过比较有应力松弛效应和无应力松弛效应的有限元模拟结果发现,无应力松弛效应使应变诱发马氏体相继快速地生成,这与实验不符,由此反证TRIP效应必然产生应力松弛.     

TC18钛合金等高温压缩过程的组织性能

为了研究TC18钛合金在等高温压缩过程中组织与性能的变化,以Gleeble-1500热模拟试验机进行等高温压缩试验,计算得到所有试样的单向压缩膨胀系数均大于0.9,验证了热压缩试验的有效性。通过控制变量法研究不同变形温度和应变速率对其力学性能以及微观组织的影响,结果表明:TC18钛合金等高温热压缩时,流变应力随着变形温度的升高而降低,随着应变速率的增大而增大;而随着温度和应变速率的增加,组织中的初生等轴α相和次生针状α相逐渐发生相变而消失,β相逐渐长大形成粗大的β晶粒组织,并伴随有动态回复和动态再结晶两种软化机制。     

镍钛形状记忆合金尺寸效应的实验研究

对不同尺寸的镍钛形状记忆合金试样进行了静态压缩试验,结果表明,镍钛形状记忆合金在静态压缩时表现出了明显的尺寸效应:在所研究的高径比范围内,随着高径比的增加,试样在加载阶段具有硬化现象,卸载阶段具有软化现象;母相及应力诱发马氏体相弹性模量都随高径比的增加而增加;相变超弹性曲线包围的面积,即相变滞后宽度也随高径比的增加显著增加;应力诱发马氏体相变初始应力随高径比的增加具有分段性,由此推测存在一临界高径比,在高于和低于临界高径比的两个范围内,相变初始应力都随高径比的增加而降低,在临界高径比处,相变初始应力跳跃很大。     

TC6钛合金高温准静态与室温动态变形条件下微结构演化对比

采用gleeble-1500热模拟试验机及分离式霍普金森压杆技术,对TC6钛合金试样进行高温准静态(0.01s-1)压缩试验及室温高应变率(103s-1)剪切试验,通过光学显微镜及透射电镜对比研究2种变形条件下材料微结构演化特点。结果表明:在2种变形条件下材料微结构演化显著不同。在高温准静态条件下变形时,TC6钛合金微结构演化经历了4个阶段:等轴状α相变形为板条状→板条状α相断裂,同时出现动态再结晶晶粒→动态再结晶晶粒长大→发生α/β相变;在高应变率加载条件下变形时,TC6钛合金微结构演化经历了3个阶段:等轴状α相变形为板条状→位错的快速运动,板条状α相变形为更为细长狭窄的长条状→长条状α相断裂,同时出现少量动态再结晶晶粒;在2种变形条件下,TC6钛合金均发生了动态再结晶,但高温准静态下,动态再结晶晶粒较多且发生长大,尺寸为3～5μm,而高应变率加载条件下形成的动态再结晶晶粒较少且没有长大,尺寸为0.1～0.2μm。     

组织及相结构对Cu-Al-Be-B形状记忆合金阻尼与力学性能的影响

研究了Cu Al Be B形状记忆合金的成分、微观组织和相结构与阻尼和力学性能的关系 ,通过扫描电镜原位观察合金在单向拉伸应力作用下裂纹萌生和扩展的特征。结果表明 :应力诱发马氏体变体的转变使Cu Al Be B合金具有较高的阻尼性能 ;弹性各向异性和相变应变差引发晶界应力集中 ,导致合金在拉伸条件下发生晶间断裂 ;18R与 2H马氏体混合程度大时 ,会增加相变应变差引起的晶界应力集中和可能萌生的晶界裂纹源 ,大大减小合金的塑性和强度。     

铝基可磨耗封严涂层的动态压缩力学行为

以大气等离子喷涂制备的铝硅-氮化硼和铝硅-聚苯酯可磨耗封严涂层为材料,利用XRD、OM、SEM、准静态压缩、动态压缩等手段,研究了两种铝基封严涂层的微观组织及其在不同应变率下的压缩性能和损伤特征。结果表明,铝硅-氮化硼和铝硅-聚苯酯涂层主要由α-Al固溶体相、共晶Si相、可磨耗第二相(氮化硼/聚苯酯)以及孔隙组成;准静态及动态加载下两种涂层的真应力-真应变曲线均未出现明显的屈服平台,铝硅-氮化硼涂层的动态抗压强度高于铝硅-聚苯酯涂层;动态加载下涂层内部颗粒发生剧烈变形,主要损伤方式为颗粒间界面的脱粘开裂以及内部缺陷处裂纹的萌生及扩展。     

7N01铝合金动态力学性能及其本构关系研究

对7N01铝合金进行了动态冲击试验和准静态压缩试验,用金相显微镜对冲击前后的试样进行了组织观察,分析了应变速率及温度对7N01铝合金动态力学性能和微观组织的影响。结果表明:7N01铝合金具有一定的应变率敏感性和显著的温度敏感性。试样的流变应力随应变速率的提高和温度的降低而增加;采用变量分离与非线性拟合的方法对准静态压缩试验及动态冲击试验数据进行拟合,得到了7N01铝合金的Johnson-Cook本构方程,所拟合的曲线与实验结果相吻合。     

Ti48Zr20Nb12Cu5Be15内生相非晶合金压缩性能研究

摘 要: 采用铜模喷铸法成功制备出内含β-Ti(Zr,Nb)晶体相的Ti48Zr20Nb12Cu5Be15内生相非晶合金,在室温环境下对其进行准静态和动态压缩力学性能测试,结合S-4800型扫描电镜(SEM)对压缩试样断口进行观察,并对不同应变率下的力学性能进行对比。结果表明：内生相非晶合金的结构为非晶基体和在非晶基体上均匀分布着的β-Ti(Zr,Nb)晶体相组成。Ti48Zr20Nb12Cu5Be15内生相非晶合金在准静态压缩时,随应变率的增加抗压强度有明显的提高,存在应变率硬化现象,表现出与一般非晶合金体系不同的应变率效应;在动态压缩条件下,动态抗压强度随着应变率的提高也有较明显的增加,表现为应变率硬化效应。由于内生相非晶合金在动态压缩条件下的绝热温升效应和非晶的碎化,导致在室温条件下Ti48Zr20Nb12Cu5Be15内生相非晶合金的动态压缩抗压强度和应变低于准静态压缩抗压强度和应变。     

冷轧Cu板动态压缩力学性能各向异性的研究

利用Instron电子拉伸机和Split-Hopkinson压杆(SHPB)实验装置,研究了准静态和动态压缩条件下冷轧和退火Cu板法向、轧向、横向的力学性能.不同应变率下的应力-应变曲线表明:冷轧和退火Cu板的流变应力均随应变率的增加而增加,表现出明显的应变率强化效应.冷轧Cu板准静态和动态压缩力学性能均呈现明显的各向异性:横向屈服强度最大,轧向最小,且低应变程度下的流变应力也具有同样规律.退火Cu板呈现近似各向同性.考虑准静态和动态变形时可能的塑性变形机制,基于微观晶体塑性变形理论的Taylor模型可定性地解释冷轧Cu板压缩力学性能的各向异性.     

应变率和相对密度对泡沫SiCp/ZL104压缩性能的影响

对采用熔体发泡法制备的泡沫5%(体积分数,下同)SiCp/ZL104复合材料进行了准静态和动态压缩性能的测试和分析.结果表明:无论是动态下压缩还是准静态下压缩,泡沫5%SiCp/ZL104复合材料的应力-应变曲线都呈现出典型的3个阶段:线弹性段、平台段和致密段;屈服应力对应变率很敏感,使得应变率增加时,屈服应力增加,且有应变硬化现象发生;随着相对密度的增大,泡沫5%SiCp/ZL104复合材料的动态屈服应力和流动应力与准静态载荷相比显著增加.