不同组织TA15钛合金等温拉伸微裂纹扩展规律的有限元建模研究

钛合金高温变形过程往往伴随微裂纹的产生与扩展,且其与微观组织形态密切相关,显著影响了钛合金的成形质量和成形极限。为此,利用金相照片建立了基于TA15钛合金真实组织的二维多晶体微观有限元模型,采用微裂纹扩展时间,定量研究了不同组织形态的TA15钛合金等温拉伸过程中的沿晶微裂纹形成与扩展规律。结果表明:微裂纹优先形成于三角或四角晶界处,更容易沿α-β相界扩展;等轴组织随着α相体积分数升高,微裂纹更易产生和扩展;网篮组织与魏氏组织中微裂纹易于沿与加载轴垂直取向的片层α相界面扩展,魏氏组织晶界α相为微裂纹扩展提供了路径;三态组织中微裂纹易于沿片层α相界面扩展,但是等轴α相与片层α相的交织使界面形貌复杂,阻碍微裂纹扩展。相同加载条件下,微裂纹扩展的难易顺序为:三态组织、网篮组织、魏氏组织、等轴组织。     

珠光体裂纹萌生与扩展的TEM原位观察

在透射电镜中进行动态拉伸原位观察珠光体裂纹萌生与扩展的微观过程。结果表明：珠光体裂纹萌生与扩展方式取决于珠光体层片和拉伸轴的位向关系。当珠光体层片平行于拉伸轴时，裂纹在渗碳体和铁素体中交替萌生，垂直于层片扩展；当珠光体层片垂直于拉伸轴时，裂纹在铁素体中萌生，平行于层片扩展；当珠光体层片与拉伸轴斜交时，裂纹通过渗碳体和铁素体交替断裂而扩展；裂纹也可以在珠光体团边界萌生和扩展。     

α_2板条在TiAl合金全层状组织形变和断裂中的作用

通过单轴压缩及TEM原位拉伸研究了全层状TiAl合金 (PST晶体 )中α2 板条的形变和断裂特征。结果表明 ,全层状TiAl合金中α2 相形变和断裂特征与加载方向有关。当片层与加载轴平行时 ,α2 相中的滑移沿柱面进行 ,微裂纹优先在α2 相内 (沿柱面 )形核 ;而当片层与加载轴垂直时 ,形变困难 ,α2 相中的滑移将沿角锥面进行 ,微裂纹很容易沿相界面形核、扩展。     

α2板条在TiAl合金全层状组织形变和断裂中的作用

通过单轴压缩及TEM原位拉伸研究了全层状TiAl合金（PST晶体）中α2板条的形变和断裂特征。结果表明,全层状TiAl合金中α2相形变和断裂特征与加载方向有关,当片层与加载轴平行时,α2相中的滑移沿柱面进行,微裂纹优先在α2相内（沿柱面）形核;而当片层与加载轴垂直时,形变困难,α2相中的滑移将沿角锥面进行,微裂纹奶容易沿相界面形核、扩展。     

不同应力状态下6063铝合金断裂机制原位拉伸研究

用SEM-520原位拉伸实验对可以实现不同应力的6063铝合金试件的断裂过程做了详细研究和分析.研究结果表明:不同应力状态下的铝合金试样在拉伸过程在其表面上都产生了大量的滑移带,但断裂机制不同.随着三轴应力度的降低,断裂从正断向剪断过渡,试件断口也由韧窝断裂模式向剪切断裂模式演变;6063铝合金晶界是其最薄弱环节,大量微裂纹产生于晶界,随着载荷的增加,微裂纹长大和扩展,与此同时,在局部变形带中沿晶界和滑移带又产生了新的微裂纹,微裂纹之间通过扩展或剪切而连接导致试样断裂;试样最小截面上的三轴应力度越小,试样断口的2个面上韧窝的取向越明显,而且断口越光滑.     

定向凝固Ti47Al基合金及其双晶的压缩变形行为研究

利用定向凝固技术制备Ti47Al基合金,并从中切取双晶,研究它们的压缩变形行为。研究结果表明,在压缩变形过程中,裂纹会在取向差较大的晶界处萌生并沿着晶界进行扩展。裂纹会以沿着片层界面和穿越片层界面两种方式进行扩展,当片层取向与加载方向在45°和60°左右时,裂纹更容易在片层界面萌生并扩展,此时晶界对裂纹的扩展有一定阻碍作用。     

晶界对全片层组织γ—TiAl合金断裂韧性的影响

为了深入研究晶界对全片层组织TiAl基合金断裂韧性的影响，采用SEM原位拉伸实验，对全片层和近全片层Ti-46．5Al-2．OCr-1．5Nb-1．0V合金中裂纹的扩展进行了观测。发现晶界对全片层组织TiAl合金断裂韧性的影响表现在改变裂纹扩展方向以及影响韧带的尺寸上。并得出结论：全片层组织γ-TiAl合金的断裂韧性来源于基体的断裂韧性、片层晶界导致的韧性增强以及片层导致的韧带增韧。     

EFFECT OF CREEP FRACTURE TOUGHNESS ON CRACK INITIATION AND GROWTH

本文研究了蠕变断裂韧性对二种低合金耐热钢蠕变裂纹开裂和扩展的影响。试验表明:随着蠕变断裂韧性提高,抗蠕变裂纹开裂和扩展能力增加。材料呈韧性或脆性状态时,蠕变裂纹萌生和扩展过程不同。韧性状态时,裂纹为穿晶和晶界二种混合形式:穿晶裂纹可在晶内碳化物处发生,或在晶界上形核后向晶内扩展,晶界裂纹仍是由晶界上空洞形成和相互连接而成,裂纹可沿晶界和晶内扩展,但不连续。脆性状态时,裂纹沿晶界发生,它是由晶界形成空洞和相互连接而成,扩展仅沿晶界发生。     

蠕变断裂韧性对裂纹开裂和扩展的影响

本文研究了蠕变断裂韧性对二种低合金耐热钢蠕变裂纹开裂和扩展的影响。试验表明:随着蠕变断裂韧性提高,抗蠕变裂纹开裂和扩展能力增加。材料呈韧性或脆性状态时,蠕变裂纹萌生和扩展过程不同。韧性状态时,裂纹为穿晶和晶界二种混合形式:穿晶裂纹可在晶内碳化物处发生,或在晶界上形核后向晶内扩展,晶界裂纹仍是由晶界上空洞形成和相互连接而成,裂纹可沿晶界和晶内扩展,但不连续。脆性状态时,裂纹沿晶界发生,它是由晶界形成空洞和相互连接而成,扩展仅沿晶界发生。     

取向差对SRR99双晶高温合金拉伸性能的影响

通过对具有不同取向差的SRR99双晶高温合金试样进行室温拉伸实验,系统比较了取向差对试样拉伸行为、表面形貌、断裂方式和断口形貌的影响.结果表明:取向差为4°的晶界对双晶的拉伸性能几乎没有影响;当取向差达到10°时,晶界的作用开始明显显现;而取向差为16°和18°的晶界对双晶的力学性能影响最大.扫描电镜观察发现:滑移易于贯穿4°取向差晶界,最后沿滑移带开裂,断口呈明显的滑移特征;取向差为10°的双晶在滑移带撞击下,裂纹沿滑移带和晶界同时扩展,最后率先沿滑移带失稳断裂,断口上除有滑移特征,还呈现枝晶间开裂特征;而取向差为16°和18°的双晶,在屈服初期便萌生晶界裂纹,最后沿晶界快速发生断裂,断口枝晶间开裂特征明显.     

In-situ crack propagation observation in fully lamellar Ti-49%Al alloy

1　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＴｉＡｌｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃｃｏｍｐｏｕｎｄｈａｓａｔｔｒａｃｔｅｄａｇｒｅａｔｄｅａｌｏｆａｔｔｅｎｔｉｏｎｆｒｏｍｔｈｅａｅｒｏｓｐａｃｅｃｏｍｍｕｎｉｔｙｆｏｒｉｔｓｌｏｗｄｅｎｓｉｔｙ ,ｈｉｇｈｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓａｎｄｇｏｏｄｏｘ ｉｄａｔｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ .Ｉｎｌａｓｔｄｅｃａｄｅｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅ ｔｗｅｅｎｉｔｓｍｅｃｈａｎｉｃａｌｂｅｈａｖｉｏｒｓａｎｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｈａｖｅｂｅｅｎｋｎｏｗｎｍｏｒ…     

Influence of columnar grain boundary on fracture behavior of as-cast fully lamellar Ti-46Al-0.5W-0.5Si alloy

The fracture behavior of fully lamellar γ-TiAl alloys depends on the angle between the lamellar orientation and loading axis,but the role of the presentation of grain boundary cannot be ignored.To investigate the influence of the grain boundary on the initiation and propagation of cracks,the tensile test of the alloy was conducted at room temperature with loading axis parallel and perpendicular to the lamellar orientation,respectively.The cracks adjacent to the fracture zone of the tensile specimens have been investigated to analyze the fracture behavior.Results show that the grain boundary has dual influences on the fracture behavior.When the loading axis is parallel to the lamellar orientation,cracks are preferentially initiated at and propagate along the grain boundaries.When the loading axis is perpendicular to the lamellar orientation,the grain boundaries can prevent the propagation of cracks from running across.Additionally,serrated-shape grain boundaries have a better inhibiting effect on the propagation of cracks than planar boundaries.     

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。     

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。     

FRACTURE MECHANISM AND MICROMECHANICAL ANALYSIS OF POLYSYNTHETICALLY TWINNED CRYSTALS OF γTiAl ALLOYS

１　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＧａｍｍａｔｉｔａｎｉｕｍａｌｕｍｉｎｉｄｅｈａｓｒｅｃｅｉｖｅｄｉｎｃｒｅａｓｉｎｇａｔｔｅｎｔｉｏｎｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｈｉｇｈｓｐｅｃｉｆｉｃｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｓｔｉｆｆｎｅｓｓａｔｒｏｏｍａｎｄｅｌｅｖａｔｅｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ,ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙｃｒｅｅｐｂｅｈａｖｉｏｒａｎｄａｄｅｑｕａｔｅｏｘｉｄａｔｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ［１］．ＴｉｒｉｃｈγＴｉＡｌｂａｓｅｄａｌｌｏｙｓｈａｖｅｇｏｏｄｐｒｏｓｐ…     

γ—TiAl层状结构裂尖应力场的有限元分析

根据γ-TiAl层状晶体（PST晶体）的微观结构,构造了可使用有限元计算的夹心基元。由有限元计算表明,当裂尖平行于片层时,裂尖前端所有滑移系上的分切应力都很小。即滑移较弱,而沿片层界面（它总是解理面之一）的正应力有最大值,这表明,裂尖将沿片层扩展,而且塑性小,当裂纹垂直于片层时,裂尖前端很多滑移系上的分切应力都很大,最大正应力并不在片层界面上,而总在跨片层的解理面上,这表明,裂尖在片层内解理,并且塑性很大。     

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.     

原位SEM研究LDMD Ti-6Al-4V合金β晶界对拉伸断裂行为的影响

目的研究β晶界对激光直接熔化沉积(LDMD)Ti-6Al-4V合金裂纹形核或传播行为的影响,以澄清合金的断裂机制,为合金性能的改善提供理论依据。方法采用LDMD Ti-6Al-4V合金粉末,在Ti-6Al-4V基板上逐层堆积形成沉积层。沿沉积层扫描方向截取试样,在室温下观察样品的微观组织形貌,并对原位拉伸过程中的微观组织演化进行实时研究。同时研究β晶界对微裂纹萌生、扩展和断裂的影响行为,总结断裂机理。结果 LDMD Ti-6Al-4V合金组织宏观呈现出沿构造方向生长的粗大柱状β晶,β晶内由板条状α晶和整齐排列的具有相同生长取向的α簇组织组成,并有少量孔洞缺陷。采用原位扫描电镜拉伸样品时发现,在横向拉力作用下,样品最初在孔洞周围发生变形,之后裂纹的萌生扩展主要沿β晶界进行,β晶界对拉力起阻碍作用,造成样品的伸长率较低。拉伸过程中,微观组织主要沿着β晶界周围的α相变形,并且孔洞缺陷引起的应力集中使得缺陷周围变形最严重,变形方向与拉力方向呈45°。结论孔洞缺陷决定了样品的初始变形位置,而β晶界则决定了裂纹传播的方向,且由于拉伸试样的截取方向与β晶界相垂直,导致样品的伸长率较低,所以β晶界对样品的力学性能及断裂机理起决定作用。     

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.