增强体对原位自生(TiC+TiB)/Ti复合材料微观组织和力学性能的影响

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目前,已经有很多学者研究了单一增强钛基复合材料的微观组织和力学性能,发现其难以具有良好的综合力学性能。同时现有的研究表明混杂强化的钛基复合材料可以兼顾多种增强体的力学性能,能够改善单一强化钛基复合材料在某些性能方面的缺陷,其具有更高的强度、更好的塑性以及抗蠕变性能。但对于混杂强化钛基复合材料中不同增强体强化作用之间耦合关系的研究尚不充分,为了进一步改善混杂强化钛基复合材料的力学性能,为材料的组分设计提供依据,有必要研究增强体对混杂强化钛基复合材料力学性能的影响规律,建立不同增强体强化作用之间耦合关系的理论模型。鉴于此,本课题通过研究(TiC+TiB)/Ti复合材料在铸造态、锻造态下的微观组织和室温拉伸性能、室温压缩性能,采用试验和数值分析相结合的方式建立起不同状态下不同增强体强化效果之间的耦合关系,探索了不同增强体对钛基复合材料拉伸性能和压缩性能的影响规律,并对经过适当热处理的锻态钛基复合材料进行室温拉伸测试和高温拉伸测试,研究其在室温和高温条件下的拉伸断裂失效原因。得到的主要结论如下:(1)铸造态钛基复合材料基体为粗大的铸态组织,存在较多铸造缺陷。TiC增强体呈等轴状,粗大的短棒状和树枝晶状;TiB增强体呈短纤维状,长径比较大,取向随机。与铸态复合材料相比,锻态复合材料中TiC增强体平均粒径减小,呈细小的等轴状和略微粗大的近似椭球状,均匀分布在基体组织上;TiB短纤维的长径比下降,且大多数TiB短纤维沿锻造方向分布。(2)在铸态钛基复合材料中,TiC增强体的强化机制为颗粒强化机制,TiB短纤维的强化机制主要依靠其应力承载作用,根据强化作用叠加关系可以得到如下理论计算模型:σycym(1+Δσrym)和Δσr=[(0.5σymV×l/d C0)q+(-σym)q]1/q将理论计算结果与试验结果对比发现:无论q=1、1.5、2计算出的理论屈服强度都要高于实验所得屈服强度。(3)在锻态钛基复合材料中,综合考虑TiC的颗粒强化作用、TiB短纤维的应力承载作用和细晶强化作用,根据强化作用叠加关系建立如下理论模型:σycym(1+Δσrym)(1+ΔσHPym)和ΔσHP=kmdm-1/2Δσr=[(0.5σymV×l/d C0)q+(-σym)q]1/q将理论计算结果与试验结果对比发现:当q=1.5时,计算值与试验值吻合较好,说明在锻造态钛基复合材料中,三种强化作用满足q=1.5的叠加关系。(4)在铸态纯钛和锻态纯钛中,室温拉伸屈服强度的绝对值和室温压缩屈服强度的绝对值相近,而在铸态钛基复合材料中,室温压缩屈服强度的绝对值要高于室温拉伸屈服强度的绝对值,在锻态钛基复合材料中,这种差别更加显著。(5)材料在室温拉伸时的断裂失效原因主要是TiC颗粒与TiB短纤维的承载断裂;在高温拉伸时的断裂失效原因包括增强体的承载断裂和部分TiB增强体与基体的脱粘。
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