钛合金变形机制的尺寸效应和温度效应的原位透射电镜研究

发布时间：2020-03-30 15:24

【摘要】：钛合金在常温和低温下均可保持良好的强度与塑性,因而在工业应用中发挥着不可替代的作用。由于金属材料的力学性能与变形机制直接关联,而变形机制又受到合金成分、环境温度、材料特征尺度等条件的调控,多尺度以及不同温度下钛合金变形机制的研究将为钛合金材料研发提供重要的理论基础和技术指导。本文以纯Ti及Ti-5 at.%Al为研究对象,结合原位透射电镜拉伸实验以及原子级的结构表征,研究了钛合金变形机制的尺寸效应和温度效应,建立了多尺度显微结构和力学性能的关联性。在钛合金变形机制的尺寸效应研究中,发现由于密排六方结构的α钛合金的晶体结构对称性较低,使其在极小尺寸下仍具有很好的位错存储能力。最易滑移系的数量有限恰好促使了多滑移系的启动,从而形成高密度位错网,使得位错无法逃逸。位错之间产生复杂的位错反应,使得位错形核速率大于逃逸速率,位错更多的储存在样品中,不会发生体心立方、面心立方金属材料中出现的“位错饥饿效应”,导致材料表现出高的抗压强度和连续塑性流变。在钛合金变形机制的温度效应研究中,发现合金元素对于不同温度下钛合金的变形机制具有重要影响。常温下,纯Ti以位错平面滑移为主导变形机制;而Ti-5 at.%Al合金中除了典型的位错平面滑移,还观察到了位错的交滑移现象。然而低温下,纯Ti中观察到大量的位错交滑移事件,位错交滑移是主导变形机制;而Ti-5 at.%Al则以位错平面滑移为主导变形机制。进一步的原子结构及化学成分分布测试表明Al原子在螺位错核附近均匀分布,未形成有序相;而分子动力学模拟计算结果表明纯Ti和Ti-5 at.%Al合金不同温度下变形机制的反转受到了温度对层错能的影响。纯Ti的层错能随温度变化较小,而Ti-5 at.%Al合金的层错能随着温度的降低具有明显的减小趋势,使得A1在低温下对位错行为产生完全不同的调控作用。
【图文】：

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图１．１邋Ｔｉ的晶体结构示意图。（ａ）邋ａ－Ｔｉ的ＨＣＰ晶胞；（ｂ）邋ｙ？－Ｔｉ的ＢＣＣ晶胞。逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｕｎｉｔ邋ｃｅｌｌ邋ｏｆ邋Ｔｉ．邋（ａ）邋ｕｎｉｔ邋ｃｅｌｌ邋ｏｆ邋ａ－Ｔｉ；邋（ｂ）邋ｕｎｉｔ邋ｃｅｌｌ邋ｏｆ邋ｙｆｆ－Ｔｉ．逡逑２逡逑

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相）的转变。间隙元素和置换元素能够强烈影响钛的相变温度，因此钛合金的相逡逑变温度亦深受合金元素种类和含量的影响。逡逑图１．１邋（ａ）显示了邋ａ－Ｔｉ的ＨＣＰ晶胞［１０］，，晶格参数分别为：ａ＝０．２９５０３邋ｎｍ邋士逡逑０．００００４邋ｎｍ，邋ｃ＝０．４６８３２邋ｎｍ±邋０．００００４邋ｎｍ，邋ｃ／ｏ＝ｌ．５８７３邋士邋０．０００４丨习，ｃ／ａ邋值略小于逡逑ＨＣＰ结构的理想比率（１．６３３）。从图１．１邋（ａ）可以看出，ＨＣＰ结构有三种不同逡逑类型的密排面，即｛０００１｝、｛１０了０丨和丨１０了１｝面，这三组密排面也分别被称为基面、逡逑柱面和锥面；ａ／、ａ２、＆轴分别对应三组密排面的密排方向，晶向指数为＜１１５0＞。逡逑图１．１邋（ｂ）显示了邋ｆ－Ｔｉ的ＢＣＣ晶胞，共有属于｛１１０｝的六个密排面，密排方向为逡逑＜１１１＞。９００°Ｃ时，NBＴｉ邋的晶格参数约为邋ｏ＝０．３３２ｎｍ。逡逑合金元素（通常以间隙或置换的方式引入）会使Ｔｉ的晶胞发生晶格畸变，逡逑但少量合金的引入不会改变其晶体结构。本文重点探讨室温和低温下Ｔｉ合金的逡逑变形机制
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG146.23;TN16

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