复杂结构Laves相的孪生行为及其韧化效应研究

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Laves相是金属间化合物中最丰富的一类,具有典型的拓扑密排结构,使得这类材料具有优异的高温性能,如高温强度高、自扩散慢和组织热稳定性好等特点,极具作为先进高温结构材料的发展潜力。然而,单相Laves相也具有其它金属间化合物的基本特性—中低温脆性,亟需提高其低温变形能力,由于Laves相对称性较低,位错难以发生滑移,因此激活孪生成为改善其室温脆性的重要途径之一。为此,本文以Laves相V2Hf为研究对象,通过合金化和引入韧性第二相的方法来调控V2Hf相的层错能和孪生形核过程,诱导Laves相V2Hf在变形中发生孪生,从而使其本征脆性取得突破性改善。系统地研究了电弧熔炼态及退火态Laves相基Hf14V64Nb22合金的微观组织和力学性能,并基于合金化和韧性第二相对断裂韧性的作用规律,分析了 Laves相V2Hf的孪生变形方式及其机制。主要的研究结果如下:采用电弧熔炼法制备出了 Laves相基Hf14V64Nb22合金,其室温断裂韧性达到了 8.87 MPa·m1/2,较铸态单相Laves相提高了 6.4倍,而且其压缩变形量高达26.2%。微观组织测试表明,电弧熔炼态Hf14V64Nb22合金的微观组织为C15结构Laves相V2Hf和bcc结构的V(Nb)固溶体双相合金,Nb固溶原子能够起到降低V2Hf堆垛层错能的作用,利于V2Hf相孪生的开动,而韧性V(Nb)固溶体有助于V2Hf晶粒取向的调整,能够促进孪生变形的进行,两者的协同作用大幅度提高了 Laves相V2Hf的室温变形能力。考虑到电弧熔炼态Hf14V64Nb22合金中存在大量应力,这会对其变形行为产生不利影响,为此在1000℃下对其进行了去应力退火,保温时间为5 h,10 h,25 h,50 h和100h,测试发现随着保温时间的延长,Hf14V64Nb22合金的断裂韧性先增大后减小,在50 h达到最大值,相应的断裂韧性达到了 8.30MPa·m1/2,压缩量为30%,抗压强度达到了2004.3 MPa。微观组织表征发现,退火处理后V(Nb)固溶体中析出了大量细小的Laves相V2Hf,这些弥散分布的V2Hf颗粒能够阻碍固溶体中位错的运动,起到强化Hf14V64Nb22合金的作用。同时,在Laves相V2Hf中检测到少量细小的Hf(V)固溶体,这可以有效松弛V2Hf相的密排结构,促进孪生的形核和发展。在添加了 Nb之后,铸态和时效态Hf14V64Nb22合金均可以发生孪生来促进变形,一是因为合金可以通过孪生来发生塑性变形;二是因为孪生可以调整晶粒取向,使位错容易滑移。TEM分析结果表明,C15 Laves相中的孪生系统为(111)<112>,其孪生机制为(111)上αcβ型堆垛顺序的同步滑移,α层原子固定,β层原子位移1/6[112],同时进入c原子层的位置,为了滑移可以进行c原子层会同时运动1/6[211],最终的结果就是上面的晶体会相对于下面的晶体在(111)面产生一个1/6[121]的位移,即产生一个肖克来不全位错。
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