高铌TiAl合金双态组织室温断裂行为研究

通过对高铌TiAl合金双态组织的缺口试样进行原位拉伸、相应的断裂表面SEM观察,研究其拉伸断裂机制和裂纹扩展的动态过程.结果表明,高铌TiAl合金双态组织的断裂模式主要是穿晶解理断裂;合金的断裂过程是主裂纹首先起裂,微裂纹的产生、扩展和连接主裂纹,直至断裂;在裂纹扩展过程中,尖端附近区域范围内的γ相晶粒内易形成微裂纹,为其断裂过程的一个明显特征;对于双态缺口试样,由于晶粒细小,缺口根部出现应力集中,裂纹扩展路径比较平直.     

750℃热暴露对定向层片组织铸造TiAl合金室温拉伸塑性的影响

研究了大气中750℃,48~300 h热暴露对定向层片组织铸造TiAl合金室温拉伸塑性的影响,并采用拉伸中途卸载、染色渗透后再次加载直至断裂的方法,分析因表面脆性层诱发的微裂纹的形成和扩展行为,以揭示定向层片组织在热暴露后保持更好室温拉伸塑性的原因.结果表明,定向层片组织TiAl合金在750℃热暴露150 h后室温塑性仍大于2.0%,300 h热暴露后尚保持1.0%的水平,其热暴露致脆程度远小于双态组织和其它层片组织.在430 MPa应力下,微裂纹起源于脆性贫Al层,并在后续加载过程中扩展进入基体.此裂纹起到尖锐缺口的作用,约束了材料的塑性变形,导致TiAl合金室温拉伸塑性降低.对于定向层片组织,由于层片界面平行于基体表面,有利于抑制微裂纹在后续加载过程中向基体扩展,从而使合金在热暴露后保持较高的室温塑性.     

缺口对铸造单一取向层片组织TiAl合金断裂行为的影响

研究了缺口对铸造单一取向层片组织TiAl合金断裂形貌特征和断裂机制的影响。通过对断口进行观察发现,缺口对单一取向的层片组织有较大影响。研究表明,在光滑试样的拉伸过程中,裂纹起源于试样内部,然后迅速扩展至断裂;在缺口试样的拉伸过程中,微裂纹于断口边缘产生,在切应力的作用下扩展、连接形成裂纹稳态扩展区,然后在正应变控制下从裂纹稳态扩展区向裂纹失稳扩展区过渡,同时试样失稳。     

SEM原位观察3104铝合金板材的断裂行为

利用原位拉伸扫描电镜,观察并研究了3104铝合金冷轧板动态拉伸过程中裂纹萌生和裂纹扩展情况,讨论了裂纹萌生和扩展与板材微观组织之间的关系。结果表明：在拉伸过程中,裂纹起源于滑移带处,并沿滑移带扩展。裂纹扩展路径受拉伸应力状态以及板材内部晶粒和粗大第二相分布的影响。原位拉伸断裂模式为韧窝断裂和剪切断裂复合断裂模式,断口形貌受裂纹扩展应力状态的影响。     

单一取向层片组织TiAl合金缺口敏感性的研究

通过拉伸试验研究了铸造TiAl合金单一取向层片组织在缺口应力集中系数分别为2、3和4时的缺口敏感性。发现该合金在沿层片界面方向的应力作用下,对应各Kt水平的缺口试样均具有大于光滑试样的抗拉强度,且其缺口敏感系数相当;并根据该合金具有较好的拉伸塑性和缺口拉伸断口上存在裂纹萌生和稳态扩展区域的特征,分析讨论了其形成缺口强化效应的机制。     

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 本文通过拉伸试验研究了铸造TiAl合金单一取向层片组织在缺口应力集中系数分别为2、3和4时的缺口敏感性。发现,该合金在沿层片界面方向的应力作用下,对应各Kt水平的缺口试样均具有大于光滑试样的抗拉强度,且其缺口敏感系数相当;并根据该合金具有较好的拉伸塑性和缺口拉伸断口上存在裂纹萌生和稳态扩展区域的特征,分析讨论了其形成缺口强化效应的机制。     

高铌TiAl合金在疲劳蠕变作用下的裂纹萌生及扩展

利用SEM原位观察技术研究了近片层Ti-45Al-8Nb-0.2W-0.2B-0.1Y合金在750℃疲劳蠕变交互作用下的裂纹萌生及扩展行为,循环实验采用在最大拉应力保载的梯形波.结果表明,裂纹主要在片层团界面萌生,裂纹萌生方式包括蠕变空洞和疲劳微裂纹.片层团界面处的微裂纹先通过吞并蠕变空洞或在裂纹尖端应力集中作用下沿片层团界面进行扩展,然后相互连接长大;当裂纹扩展受到不同取向的片层团界面阻碍时,受阻的裂纹开始沿试样厚度方向扩展,且附近伴随出现垂直于载荷方向的微裂纹;最终受阻的裂纹相互连接直至合金断裂.将实验结果与该合金在相同条件下疲劳变形和蠕变变形的原位观察结果进行了比较.结合实验结果建立了高铌TiAl合金在疲劳蠕变交互作用下裂纹萌生及扩展示意模型.     

A356铸造铝合金的疲劳裂纹萌生及短裂纹扩展研究

研究了A356-T6铸造铝合金的缺口疲劳裂纹萌生与早期扩展行为及机制.结果表明,热等静压试样的疲劳抗力优于非热等静压试样.对于钝缺口试样,疲劳裂纹萌生于缺口根部附近的多个平面,最终哪个裂纹源扩展成主裂纹取决于局部微观组织.对于缺口几何形状不同的热等静压和非热等静压疲劳试样,在疲劳过程中,不管是在高应力状态下,还是在低应力状态下,都出现了铝基体的循环塑性变形和共晶硅粒子断裂导致疲劳裂纹萌生.对于非热等静压试样,铸造缩孔在构件的疲劳过程中起着重要作用,但即使缺口根部存在较大尺度的铸造缩孔,导致了疲劳裂纹萌生,但也同时观察到疲劳裂纹从共晶硅粒子、金属间化合物、铝基体的滑移带和铁基金属间化合物等处萌生.对于脆性的A356铸造铝合金可采用修正的断裂力学参量ΔKn、局部应力范围Δσ或局部应变幅Δε/2作为控制参量来表征疲劳裂纹萌生行为,而缺口有效应力强度因子范围ΔKneff和ΔJs参量可用来表征缺口场中短裂纹扩展行为.     

低温下ZL101合金的裂纹扩展行为

对ZL101合金在20~-60℃拉伸过程中裂纹扩展行为进行研究,利用扫描电子显微镜观察断口形貌,并采用光学显微镜对断口附近组织和裂纹萌生和扩展形貌进行分析,研究裂纹扩展过程中铝基体内部应力的变化。结果表明:当温度由20℃下降至-60℃时ZL101合金的抗拉强度和屈服强度均有提高,而伸长率略有降低。ZL101合金在塑性变形过程中产生大量位错在Si相处塞积产生应力,使Si相发生解理断裂形成微裂纹,并且Si相断裂形成的解理面与附近的位错滑移带成135°角。在裂纹扩展过程中Si相的破裂使铝基体产生应力集中,在低温情况下Si相断裂所需的外加应力升高使断裂Si相之间铝基体的应力集中升高引发准解理断裂,导致合金伸长率下降。     

涂层厚度对再制造零件失效形式的影响

目的研究不同厚度涂层的再制造零件在弯曲疲劳情况下的失效形式。方法利用电弧喷涂对零件进行再制造处理,并进行四点弯曲疲劳实验,利用扫描电镜对不同厚度涂层的再制造零件断口形貌进行观察,研究不同厚度涂层的疲劳裂纹萌生、扩展以及断裂方式。结果疲劳裂纹萌生形式主要为多源疲劳失效,在疲劳裂纹的扩展过程中,不同平面内扩展的裂纹相交,形成了台阶形貌。当涂层厚度为100、200μm时,裂纹主要萌生于四点弯曲实验中应力最集中的部位,萌生于涂层和基体之间,并逐渐地向涂层和基体扩展,直至试样断裂。而涂层厚度为300、400μm时,裂纹萌生部位主要集中于四点弯曲疲劳试验中应力最大部位的两侧,并呈对称式分布,裂纹在界面处连接,使得涂层和基体产生分层现象,之后分层部位处裂纹沿着基体方向扩展,直至试样断裂。结论涂层厚度不同,整个系统的失效模式也不同。对于较薄的涂层,裂纹模式主要为垂直于涂层-基体界面的裂纹,此时拉伸失效占主导。对于较厚的涂层,界面裂纹为主要的裂纹模式,此时剪切失效占主导。     

全层状TiAl基合金断裂机理原位观察

通过对裂纹与晶内片层和晶界的交互作用的原位观察,研究了全层状组织TiAl基合金的断裂机制。结果表明：裂纹萌发和扩展方式不仅依赖于片层与拉伸轴的相对取向,还受晶界取向的制约。当片层与拉伸轴成较大角度时,沿片层裂纹扩展是通过主裂纹与沿片层微裂纹的连接及剪切的过程;而当拉伸轴近乎平行片层时,跨片层裂纹依靠对界面分离和跨片层微裂纹这两种形式的微裂纹的连接进行扩展的,纵向交叉晶界有利于断裂韧性的提高,而横向晶界则不利于材料断裂韧性。     

In-situ deformation of TiAl PST crystals in TEM

The deformation process of TiAl polysynthetically twinned (PST) crystals was in-situ observed in a transmission electron microscope (TEM) with a tensile holder. Microcracks, resulted from different reasons, were observed to nucleate at several different sites. In many cases microcracks were observed to nucleate on lamellar boundaries and on the boundary between the deformation twin and the matrix. The intersecting parts of two deformation twins within the same TiAl lamella have been found to be favorite nucleation sites of microcracks. Microcracks were also observed to nucleate on the domain boundary of two TiAl domains coexisting in a TiAl lamella and at the triple point among TiAl domain boundary and lamellar boundary. It has revealed that cracks tend to propagate along the lamellar boundaries when the angle between tensile axis and lamellar boundaries is about 78°. When crack propagation was hindered, one or more microcracks nucleated ahead of the main crack. Then the microcracks grew up, connected each other and connected with the main crack through shear rupture of the ledgement between them.     

Fracture behavior of lamellar structure in Ti-48Al-2Mn-2Nb alloy produced by centrifugal spray deposition

1　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＩｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ ,ａｇｒｅａｔｄｅａｌｏｆａｔｔｅｎｔｉｏｎｈａｓｂｅｅｎｐａｉｄｔｏｇａｍｍａｔｉｔａｎｉｕｍａｌｕｍｉｎｉｄｅｓｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｉｒｐｏｔｅｎｔｉａｌｌｙａｔｔｒａｃｔｉｖｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｆｏｒｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒ ａｔｕｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ[1～ 3].Ａｌｏｔｏｆｆｕｎｄａｍｅｎ ｔａｌｓｔｕｄｉｅｓｏｎｇａｍｍａｔｉｔａｎｉｕｍａｌｕｍｉｎｉｄｅｓｈａｖｅｂｅｅｎｍａｄｅｗｏｒｌｄｗｉｄｅｔｏｆｕｒ…     

近全层组织γ-TiAl基合金的室温拉伸断裂机理

通过对直缺口近全层组织的扫描电镜原位拉伸实验以及相应的断裂表面观察，结合有限元计算了TiAl基合金近全层组织拉伸的断裂机理。研究表明：许多裂纹在塑性变形前沿着层间起裂和扩展，断裂过程的驱动力是拉应力。在直缺口试样中，许多裂纹直接起裂于缺口根部，并且沿着层间扩展。随着拉应力的增加，主裂纹和新裂纹也可以通过障碍晶粒的穿层解理断裂来连接。通过有限元计算得沿层断裂强度大约为50MPa，穿层断裂强度大约为120MPa。     

TiAl合金涡轮压缩损伤与拉伸断裂行为

为研究TiAl合金涡轮经压力作用后的组织损伤机制及性能弱化规律,设计了对TiAl合金涡轮先压缩再拉伸的实验方法。利用扫描电镜(SEM)对压缩后的涡轮轴颈表面及内部的滑移和微裂纹进行了分析,并观察了拉伸断口形貌。实验结果表明：随着前期涡轮所受的压力的增大,压缩后的TiAl涡轮剩余抗拉强度逐渐降低,当压力为610 MPa时,剩余抗拉强度仅为86 MPa,强度损失率高达70%。TiAl合金压缩过程中形成了以沿层裂纹为主、穿层裂纹为辅的变形损伤特征。与压缩轴成45°的最大剪应力方向上的沿层裂纹是TiAl合金压缩损伤的主要形式。压缩损伤后的TiAl合金涡轮拉伸断裂均发生在靠近涡轮浇铸冒口侧的细轴颈部位。受压变形后的片层组织中的微小裂纹在随后拉应力作用下继续扩展直至韧带桥被贯穿,小裂纹合并成大裂纹,在断口上表现出沿层和穿层的混合断裂形貌。     

The role of mechanical twinning on microcrack nucleation and crack propagation in a near-γ TiAl alloy

The role of mechanical twinning on microcrack nucleation and crack propagation in a near-γ TiAl alloy was investigated in 4-point bend specimens using selected area channeling patterns and electron channeling contrast imaging to obtain the true crystal orientation image crystal defects. Two types of bend specimens were used, a conventional specimen that was deformed to a surface strain of about 1.4%, but not fractured, and a bi-layer notched specimen with an aluminum backing that prevented catastrophic fracture so that crack arrest features could be examined. Most grains showed activity of 1–4 twinning systems, and their activity correlated closely with the Schmid factor. Grain boundary microcracks were most frequently found where twins interacted with the grain boundary, and crystallographic analysis indicated that the twinning shear caused these cracks to open. In the crack growth specimen, extensive twinning and dislocation activity occurred in the grain with the arrested crack tip, but with continued straining, these same twins caused grain boundary microcracks to form and link-up to form full intergranular cracks, resulting in renucleation of the primary failure crack.     

Toughening Mechanisms of Lamellar TiAl Alloys Containing B2 Phase at Room Temperature

通过三点弯曲断裂和卸载试验对含B2相TiAl金属间化合物的韧化机理进行研究,通过双缺口四点弯曲试验确定解理断裂的临界事件。通过扫描电子显微镜和能谱分析观察断口形貌和裂纹扩展路径。结果表明:(1)3PB试验的载荷位移曲线为线性关系,B2相对裂纹的起裂无影响;(2)块状B2相对裂纹的扩展有一定的阻碍作用,裂纹遇到B2相停止或绕过B2相继续扩展;(3)解理断裂的临界事件为沿缺口根部开裂裂纹的扩展,穿层断裂对临界事件起着重要的作用;(4)这种材料的韧化机理包括:块状B2相韧化,裂纹偏转,穿层断裂和剪切韧带韧化。     

层状组织对双相TiAl合金裂纹扩展的影响

在ＴＥＭ下原位观察了双相ＴｉＡｌ层状组织对裂纹扩展的影响，发现了裂纹尖端的钝化以及裂纹的扩展方式与裂纹和片层界面的夹角有关。当裂纹接近平行片层界面时，主裂纹前端有微裂纹产生，此时剪切带韧化机制起主导作用。而当裂纹垂直于片层界面以及介于平等我恶性循环之间进，片支界面对扩展裂纹的阻碍，界面滑移造成的裂纹尖端钝化是层状组织韧化ＴｉＡｌ合金的主要原因，依据裂纹形核的位错理论地上述现象进行了分析。     

Modeling crack growth from pores under compressive loading with application to metallic glasses

The mechanism of the fatigue-crack growth is essential to understand the fatigue and fracture behavior of bulk metallic glasses (BMGs) and is thus critical to predict the service lifetime of BMGs as potential engineering structural materials. Experiments indicate that fracture under compressive loading exhibits distinct behaviors different from that under tensile loading. A typical compression failure may initiate from micro porosity where cracks propagate in a direction generally parallel to the loading axis. Micromechanical stress analysis shows that pores cause axial tensile microcracks emanating from the pore. A simplified computational model based on the linear elastic fracture mechanics (LEFM) is proposed to investigate crack initiation and subsequent propagation under compressive load, where the effect of crack closure on mode-I fracture is considered. The stable crack length is characterized by a dimensionless fracture-mechanics quantity required to attain the associated crack length. The behavior of crack growth is examined based on the stress-intensity-factor (SIF) calculation, and its dependence on the loading and lateral confinement conditions is discussed.