γ-TiAl合金高温低周疲劳裂纹萌生及扩展机理研究

摘要

γ-TiAl合金因其具有低密度、高刚度、较高弹性模量、良好高温强度和环境稳定性、优良的抗蠕变和抗氧化性能等性能，使其成为航空、航天、车辆和舰船用发动机的高温轻质结构件的最具竞争力的材料之一。在高温环境中，γ-TiAl合金的零部件会受到复杂的机械和热负荷的相互作用，零部件发生疲劳和断裂的机理尚不十分清楚，影响了γ-TiAl合金的进一步推广和应用。所以，无论是理论上还是工程实际中都有必要关注高温下γ-TiAl合金零部件的低周疲劳特性。
　　本文主要研究了 Ti-43Al-9V-Y合金晶体缺陷对其微裂纹和晶体强度的影响机理；通过高温低周疲劳实验，分析了在不同温度和应变幅作用下Ti-43Al-9V-Y合金的疲劳性能。取得的主要研究成果如下：
　　1.针对 Ti-43Al-9V-Y合金晶体中晶体缺陷对微裂纹形核的影响，分析了点缺陷的形成能、浓度和运动特性，研究了不同因素影响下，晶体中点缺陷演化成微裂纹的形核机理及晶体中位错的滑移、攀移及位错间和位错与点缺陷间的相互作用，揭示了不同因素作用下，Ti-43Al-9V-Y合金晶体中线缺陷演化成微裂纹的形核机理。
　　2.针对 Ti-43Al-9V-Y合金晶体中晶体缺陷对其强度影响，研究了晶体中位错间的Peierls-Nabarro力、外加应力对位错的作用以及位错与点缺陷的相互作用，给出了晶体中位错与其强度的关系；通过 Ti-43Al-9V-Y合金拉伸试件的XRD实验，绘出了该晶体的XRD衍射图谱，得出了不同力加载速率下晶体中位错密度对其强度的影响关系。
　　3.基于点缺陷演化成微裂纹的形核机理，对不同温度下含有不同空位浓度的单晶γ-TiAl合金的力学性能进行了分子动力学模拟。结果发现：随着空位浓度的增加和温度的升高，材料拉伸强度降低，极限应力和应变呈非线性下降趋势；拉伸时，空位集中处的空位总是最先变形，接着演化成孔洞，继而形成微裂纹，然后微裂纹汇成一条主裂纹导致晶体断裂；在空位演化过程中不断有位错发射，位错的形核和发射影响应力值，在空位、位错堆积处和裂尖处应力集中，并随着时间步的增加而重新分布；空位浓度不同，裂纹扩展形式不同，但扩展方向是随机的，且裂纹断面均不光滑。
　　4.通过高温低周疲劳试验，分析了不同温度和应变幅下Ti-43Al-9V-Y合金试件的断口，实验结果发现：萌生于晶间的微裂纹相互连接并扩展，导致循环应力响应的有效面积不断减小，是材料最终断裂的主要原因之一；温度与应力比对γ-TiAl合金疲劳裂纹扩展寿命都有着一定的影响，即 Paris公式的参数C与温度和应力比R具有一定的相关性；该种γ-TiAl合金的韧脆转变温度在750℃左右。

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第1章 绪 论

1.1 课题来源

1.2 课题背景

1.3 γ-TiAl合金的发展历程

1.4 γ-TiAl合金的应用

1.5 γ-TiAl合金的相图与显微组织

1.6 γ-TiAl合金的力学性能

1.7 γ-TiAl合金性能的影响因素

1.8 γ-TiAl合金的抗氧化性

1.9 微量元素在TiAl合金中的应用

1.10 研究内容及意义

第2章 γ-TiAl合金中晶体缺陷对微裂纹萌生的影响

2.1 点缺陷对γ-TiAl合金晶体裂纹萌生的影响

2.2 线缺陷对γ-TiAl合金晶体裂纹萌生的影响

2.3 小结

第3章 γ-TiAl合金中晶体缺陷对其强度的影响

3.1 γ-TiAl合金晶体中点缺陷与强度的关系

3.2 γ-TiAl合金晶体中线缺陷与强度的关系

3.3 小结

第4章 γ-TiAl合金中晶体缺陷对其强度影响的分子动力学模拟

4.1 计算模型和方法

4.2 结果与分析

4.3 小结

第5章 Ti-43Al-9V-Y合金高温低周疲劳行为研究

5.1 Ti-43Al-9V-Y合金材料的制备

5.2 Ti-43Al-9V-Y合金的拉伸实验

5.3 Ti-43Al-9V-Y合金的疲劳实验

5.4 小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

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