孔洞和孪晶界对γ-TiAl合金力学性能影响的纳米压痕研究

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TiAl合金因其优异的力学性能在航空航天材料中展现出令人瞩目的发展前景。但实际应用中的材料存在着多种缺陷,这些缺陷的存在会对材料性能造成影响。目前对于TiAl合金缺陷研究主要集中于单一缺陷,但对单一缺陷的研究不能完全解释缺陷对材料性能的影响。因此基于分子动力学方法,本文研究了孔洞和孪晶界共存及不同角度多重孪晶γ-TiAl合金的纳米压痕过程,分析了不同γ-TiAl试样中缺陷的演化过程及力学性能,揭示了双晶TiAl合金中孔洞尺寸及位置和多孪晶TiAl中孪晶界角度对γ-TiAl合金形变机制和力学性能的影响。本文主要研究内容如下:(1)研究了不同半径孔洞和单孪晶界的双晶γ-TiAl合金纳米压痕过程,分析了不同半径孔洞和单孪晶界对双晶γ-TiAl合金力学行为的影响。分析发现:孔洞半径R=7.5(?)时,试件的硬度达到最大值18.21GPa;孔洞半径R<7.5(?)时,随着孔洞半径的增大,试件的硬度逐渐增大;孔洞半径R>7.5(?)时,随着孔洞半径的增大,试件硬度逐渐减小。当孔洞半径R≤10(?)时,含孔洞和孪晶界试件的硬度和弹性模量均高于只含孪晶界的试件,说明孔洞和孪晶界共存时会阻碍位错运动,对材料力学性能有强化作用;当孔洞半径R>10(?)时,孔洞吸收位错,材料力学性能降低;随着孔洞半径的增大,试件的势能减小。(2)研究了含不同位置孔洞和单孪晶界的双晶γ-TiAl合金的纳米压痕过程,分析了不同位置孔洞和单孪晶界对双晶γ-TiAl合金力学行为的影响。分析发现:孔洞距基体上表面距离d=60(?)时,试件硬度值最小,当d<60(?)时,随着d的减小,试件的硬度逐渐增大,硬度值与孔洞距基体上表面距离符合Hall-Petch关系。孔洞距试件上表面越近,孔洞越早参与试件的塑性变形,阻碍了位错运动。当d>60(?)时,随着孔洞距基体上表面的距离的减小试件的硬度也减小,符合反Hall-Petch现象;随着d的增大孔洞对位错运动的影响越小,此时主要由位错和孪晶界共同影响试件的性能。弹性模量与硬度变化趋势相同。孔洞距离基体上表面越远,孔洞在基体塑性变形中的参与度越低,对试件塑性变形的影响越小,主要由孪晶界和位错共同作用。各试件均形成棱柱形位错环。含有不同位置孔洞的试件在压痕初期势能变化相同,在卸载阶段,各试件势能变化表现出明显差异。(3)研究了含不同角度孪晶界的多孪晶γ-TiAl合金的纳米压痕过程,揭示了不同角度孪晶界对γ-TiAl合金力学性能及变形行为的影响。结果表明:当孪晶倾斜角度α=45°时,试件硬度值最小;当α<45°时,随着α的减小,试件的硬度逐渐增大,硬度值与孪晶界角度符合Hall-Petch关系,各试件缺陷演化过程中以Shockley位错、棱柱形位错环、晶界滑移和内禀层错为主,并且棱柱形位错环沿着孪晶界滑移;当α>45°时,试件的硬度随着α的减小而减小,呈现反Hall-Petch现象,各试件缺陷演化过程中以Shockley位错、晶界滑移和内禀层错为主;α=90°时,试件的硬度值达到最大。弹性模量与硬度变化规律相同。各试件缺陷演化过程中均形成普通位错环。当α=90°时,位错形核晚于其余各试件。各试件势能曲线趋势一致,但势能大小出现明显差异,因为各试件中孪晶界原子占比不同。卸载过程中温度曲线出现差别,α=45°的试件卸载温度最高。
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