双相TiAl基合金断裂应变与晶粒大小的关系.pdf

第5 2 卷第4 期 2 0 00 年1 1 月 有色金属 N o N F E R R O U SM E T A L S V 0 1 ．5 2 。N o ．4 N o v e m b e r2 000 双相T i A l 基合金断裂应变与晶粒大小的关系 杨晓华1 ，梁伟2 ，杨德庄3 1 ．福州大学材料学院，福州3 5 0 0 0 2 ；2 ．太原理工大学测试中心，太原0 3 0 0 2 4 ； 3 。哈尔滨工业大学金属材料及热处理教研室， 哈尔滨1 5 0 0 0 1 摘要双相T i 烈基合金塑性变形的微观机制分析表明，由于7 相仅通过普通位错的滑移和形变孪生不能任意改变形 状．所以不能满足多晶体T i A l 基合金晶粒间产生协调变形的必要条件。根据上述分析推导出多晶体T i A l 基合金室温下断裂应 变e f 和晶粒直径d 的关系为。f a ／ d 6 c ，上式与文献报道的实验结果非常吻合。 关键词T 二u 基合金；断裂应变；晶粒尺寸 中图分类号T G l 4 6 ．2 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 0 0 4 0 0 8 0 一0 3 多晶体金属的许多性能与晶粒大小有关。例 如，金属材料的屈服应力与晶粒尺寸的关系服从 H a l l P a t c h 关系式。对于多晶体T i A I 基合金，其 塑性除了与自身变形系统 滑移和孪生 开动的难 易程度有关外，其塑性还与易开动的变形系统的数 量及其相互关系有关。众所周知，T i A l 基合金的 高温性能优越，而室温性能却不佳。减小晶粒尺寸 是改善T i A l 基合金室温塑性的一种有效方法【卜3 】。 本文在深入分析多晶体双相T i m 基合金室温塑性 变形微观机制的基础上研究了多晶体T i A l 基合金 室温断裂应变与晶粒大小的关系。 1多晶体T i 趟基合金室温塑性变形 的微观机制 对多晶体双相T i A l 基合金中的7 相的变形机 11 制的研究已揭示出 1 1 2 ] { 1 1 1 和寺 1 1 0 ] 普 U二 通位错滑移是两种最易开动的变形模式[ 4 - - 8 ] 。与 滑移相比，孪生对晶体所做的贡献非常有限。这是 因为刚性变形必须在连续平面上产生均匀切变，此 外，孪生变形只能在一个方向产生变形。例如，孪 生可在 1 1 1 面的[ 1 1 2 ] 方向发生，但不能在 [ 1 1 2 ] 方向发生。多晶体T i A l 基合金仅仅通过形 变孪生和普通位错的滑移不能满足任意取向晶粒间 连续变形的必要条件多晶体在保持体积不变的 前提下能够进行任意的形状改变，尽管C h a na n d K i m 认为多晶体T i A l 基合金的形变孪生系统和普 收稿日期1 9 9 9 1 0 1 9 作者简介杨晓华 1 9 6 4 一 。女，副教授，博士 通位错的滑移系统可提供5 个相互独立的变形系 统【9 】。这是因为当沿着 1 1 0 ] 方向压缩或[ 0 0 1 ] 方向拉伸时， 1 1 0 ] { 1 1 1 滑移系的S c h m i d 因子 为0 ，孪生系统的S c h m i d 因子也为0 ，甚至还可能 发生剪切应力与孪生方向相反的现象。在这种情况 下，易开动的滑移系统和孪生系统也无法开动。所 以通过普通位错滑移和孪生变形晶体不能实现在 [ 0 0 1 ] 方向的伸长和 1 1 0 ] 方向的收缩。 最近有报道在应变量达2 ％～3 ％时在T i A l 基 合金中观察到一定数量的超点阵位错[ 1 0 ’1 1 ] 。然而， 多晶体T i A l 基合金的室温延伸率一般能稳定获得 的只有2 ％～3 ％，大致等于可观察到超位错的应 变量。由此可见，在拉伸条件下，只有当应变量接 近断裂应变时，在晶界或相界上的不连续应变造成 的应力集中作用下才可能引起超位错的滑移。所以 超位错对多晶体T i 越基合金的室温塑性不会有很 大的影响。应当指出，有一些双相T i A l 基合金的 室温延伸率已高达5 ％～7 ％【1 2 ”】，可以肯定，这 一些合金的晶粒尺寸一定非常小。 上述分析表明，易开动的变形系统数量少，不 能满足晶粒间连续变形的必要条件是多晶体双相 T i A l 基合金室温塑性差的主要原因。 2室温断裂应变与晶粒大小的关系 如上所述，多晶体T i A l 基合金在晶界处的变 形是不协调的一个晶粒在晶界处产生的剪切位移可 以分解为两部分。一部分为协调变形，可在相邻晶 粒中产生同样大小的变形。这部分为塑性部分；另 一部分为弹性部分，它等于两个相邻晶粒发生共面 万方数据 第4 期杨晓华等双相T i A l 基合金断裂应变与晶粒大小的关系 滑移时产生的位移差。如果没有新的滑移系开动， 弹性部分将随着宏观应变线性增加直到裂纹萌生。 假设在一个晶粒内可与相邻晶粒产生协调变形的剪 切位移“在一定的宏观应变条件下与晶粒尺寸d 成 正比【l4 J ，这个剪切应力产生的内应力盯1 为口】 惫1e d ，其中，￡为晶界上产生的应变，k 1 为比例系数。 另外，外应力引起的正应力盯2 与外力成正比，室温 下T i A l 基合金的加工硬化率很高，塑性变形时张应 力与应变几乎成线性关系[ 1 5 J 。所以，盯2 k 2 ￡ c 1 ， k 2 与C ，为常数。在一个特定的平面上，最大正应力 盯 口l 仃2 k l ￡d k 2 e ‘1 。随着￡的增加，当仃 增加到临界值 7 c 时，裂纹形成。即盯 盯。，￡ e i ，￡； 为裂纹萌生时的应变量。则k 1 ￡i d k 2 ￡i C 1 盯。由 上式可得 E i 赢 1 其中，n 、b 是与晶粒尺寸无关的常数。当拉伸应变 继续增加到C ，初始裂纹增加到临界尺寸则断裂发 生。断裂应变可表示为 e f - 赢 c 2 从某种意义上来讲，C 应当与晶粒尺寸有关。 然而，当T i A I 基合金晶粒尺寸较大时，裂纹在从 萌生到失稳扩展的过程中与晶界发生作用的几率较 小，尤其是对于全层片T i A l 基合金，层片结构对 裂纹扩展有强烈的阻碍作用【1 6 ’1 7 ] ，相对来讲，只 有极少数晶界对裂纹从萌生到临界尺寸的扩展有弱 的影响。假设在试样中存在一个与晶粒尺寸相当的 内临界裂纹，C h a n 从理论上推导出金属间化合物 合金的延伸率与晶粒尺寸间的关系[ 1 8 】。在弹性状 态，8 fo Cd - 0 ．5 , 在塑性状态，8 f 。Cd m 9 5 。塑性状态 下所得的结果与本文推导出的e ，。Cd o 基本一致。 文献[ 1 8 ] 还指出，当晶粒尺寸大于1 0 0 ～1 5 0 t z r n 时， 延伸率随晶粒尺寸的变化不明显，因而，对于大晶粒 尺寸的T i A l 基合金，尤其是对于全层片T i A l 基合 金，c 可以看成是与晶粒尺寸无关的常数。 3与实验结果的比较 图1 中实线‘1 9 ’所示的实验结果表明了T i A l 基 合金延伸率与晶粒尺寸之间的关系。由图1 中实线 可以看出，晶粒尺寸越小，延伸率受晶粒尺寸的影 响越显著。设口 3 8 3 ．3 5 t J ￡m ，6 1 3 9 ．3 2 t - m ，f 0 ．2 5 5 6 ，将以上数值代入式 2 后得到图1 中所 示的点线。很显然，本文推导的断裂应变与晶粒尺 寸的关系与文献[ 1 9 ] 所得的实验结果在晶粒尺寸 1 0 0 p m - - 2 5 0 0 p m 之间非常吻合。当晶粒尺寸小于 1 0 0 肛m 时，T i A l 基合金的显微组织由全层片型过 渡为普通晶粒混合型，当晶粒尺寸非常小时，全部 转变为普通型。此时，式 2 中的f 与晶粒尺寸 无关的假设不再成立。图1 中也可以看出，本文推 导的结果在非常小晶粒尺寸时与文献[ 1 9 ] 中的实 验结果有些偏差。 应当指出，式 2 适合于下列合金，它们中 一些变形系统易于开动，但数量却不足以在晶界上 产生连续协调的变形。在晶界上产生连续协调的变 形还要求晶体可以进行一般的形状改变。大多数金 属间化合物合金不能满足这一条件。对于晶粒尺寸 较小的T i A l 基合金，式 2 中的C 与晶粒尺寸有 关。 G r m ns i z e ／p ．m 图1 双相T i A l 基合金延伸率 与晶粒尺寸之间的关系 实线是文献[ 1 9 ] 的实验结果，点线是根据式 2 所作， 其中口 3 8 3 ．3 5 t l m ，b 1 3 9 ．3 2 ／1 m 。c 0 ．2 5 5 6 F i g ．1R e l a t i o n s h i pb e t w e e nt e n s i l ee l o n g a t i o na n d g r a i ns i z ei nt w o - - p h a s eT i A l ．b a s ea l l o y 4结论 1 多晶体双相T i A I 基合金中的丫相不能仅 通过普通位错的滑移和形变孪生实现一般的形状改 变。多晶体双相T i A l 基合金在晶界处的变形是不 协调的。 2 多晶体双相T i A l 基合金室温下断裂应变 e f 与晶粒尺寸d 的关系可表示为e f 了乞 c 。 万方数据 有色金属第5 2 卷 参考文献 陈明伟，林栋梁，陈达等．金属学报，1 9 9 4 ，3 0 A 4 1 6 张继，张志宏，邹敦叙等．金属学报，1 9 9 6 ，3 2 1 0 4 4 V i s w a n a t h a nGB 。V a s u d e w a nVK ．S c rM a t a l lM a t e r ，1 9 9 5 ，3 2 1 7 0 5 H u a n gSC ，} { a UEL ．M e t a l lT r a n s ，1 9 9 1 ，2 2 A 4 2 7 I n u iH ，N a k a m u r aA ，o hMH ，a ta 1 ．P h i lM a g ，1 9 9 2 ，6 6 A 5 5 7 K i mJY ，H a h nYD ，W h a n gSH ．S c r i p t aM e t a l lM a t e r ，1 9 9 1 ，2 5 5 4 3 S a s t r a ySML ，L i p s i t tH A ．M e t a l lT r a n s ，1 9 7 7 ，8 A 2 9 9 V a s u d e v a nVK ，S t u c k eMA ，C o u r tSAe ta 1 ．P h i lM a gL e t t ，1 9 8 9 ，5 9 2 9 9 C h a nK S ，K i mYW ．M e t a l ] T r a n s ，1 9 9 4 ，2 5 A 1 2 1 7 I n u iH ，K i s h i d aK ，M i s a k iM ，e l a 1 ．P h i lM a g ，1 9 9 5 ，7 2 A 1 6 0 9 M o r r i sMA ．P h i lM a g ，1 9 9 3 ，6 8 A 2 5 9 K o e p p eC ，B a r t e l SA ，S e e g e rJ ，e ta 1 ．M e t a l lT r a n s ，1 9 9 3 ，2 4 A 1 7 9 5 V i s w a n a t h a nGB ，V a s u d e v a nVK ．S c r i p t aM e t a l lM a t e r ，1 9 9 5 ，3 2 1 7 0 5 梁伟，杨德庄．金属学报，1 9 9 8 ，3 4 5 9 7 C h a nKS ，K i mYW ．M e t a l lT r a n s ，1 9 9 3 ，2 4 A 1 1 3 C h a nKS ．S c rM e t a l lM a t e r ，1 9 9 3 ，2 4 A 5 6 9 C h a nKS ．S c rM e t a l lM a t e r ，1 9 9 5 ，2 6 A 1 4 0 7 C h a nKS ．S c rM e t a UM a t e r ，1 9 9 0 ，2 4 1 7 2 5 K i r nYW ．JM i n eM e tM a t e rS o c ，1 9 9 4 ，4 6 3 0 R E L A T I o N S H l PB E T W E E NF R A C T U R ES T R A I NA N DG R A I NS I Z E o FT W O 。P H A S ET i A l ．B A S EA L L O Y S Y A N GX i a o h u a ‘，L I A N GW e i2 ，Y A N GD e z h u a n 9 3 1 ．S c h o o lo f M a t e r i a l sS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，F u z h o uU n i v e r s i t y ，F u z h o u3 5 0 0 0 2 ； 2 ．C e n t r eo fT e s t i n ga n dM e a s u r i n g ．T a i y u a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，T a i y u a n0 3 0 0 2 4 3 ．H a r b i nI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y ，H a r b i n1 5 0 0 0 1 A B S T R A C T A n a l y s i so nt h ed e f o r m a t i o nm i c r om e c h a n i s ms h o w st h a tt h e7 一p h a s ei nt w o p h a s eT i A l 一b a s ea l l o y sc a nn o t u n d e r g oag e n e r a lc h a n g eo fs h a p eo n l yb yo r d i n a r yd i s l o c a t i o ns l i pa n dd e f o r m a t i o nt w i n i n g ．I nt h i sc a s e ，t h e r e q u i r e m e n to fd e f o r m a t i o nc o n t i n u i t yi ng r a i nb o u n d a r i e so f7 - p h a s ec a nn o tb es a t i s f i e d ．B a s e do nt h ea n a l y s e s a b o v et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef r a c t u r es t r a i nE fa n dg r a i ns i z edi sd e r i v e da s ￡f 口／ d b C ，w h i c hf i t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so fp r e v i o u sr e s e a r c h e r sv e r yw e l l ． K E YW O R D ST i A l 一b a s ea l l o y ；f r a c t u r es t r a i n ；g r a i ns i z e ●2 3 4 5 6 7 8 9 m n挖”H”M”坞D 万方数据