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TiAl金属间化合物断裂及损伤行为的研究

时间:2011-06-02
      

本研究通过对TiAl基合金进行了大量的宏观实验结果、微观观察与有限元计算分析,提出了TiAl基合金的拉伸及缺口弯曲断裂机理、断裂过程、韧化机理、拉伸性能与断裂韧性之间关系的机理、微裂纹损伤的作用、疲劳拉伸和疲劳弯曲的断裂机理以及压缩变形、断裂机理。该研究得到的很多观点被学术界同行认为是对这种材料断裂机理过去观点的一个挑战(Challenge)。在TiAl金属间化合物和NiTi形状记忆合金材料的断裂机理方面提出了新的见解,被国际权威学术刊物评价为填补了一个“Big Gap”。

1.主要内容

研究得出:裂纹优先产生于层间,层间是最薄弱的环节。解理裂纹起裂与扩展的驱动力是拉伸应力。裂纹尖端的超钝化、分叉、沿层偏转,形成显微裂纹区是TiAl基合金的主要韧化机理。裂纹面密度可以作为衡量TiAl基合金损伤的一个基本参量,微裂纹损伤的作用表现为体积效应和面积效应。拉伸试验和缺口弯曲试验的断裂过程不同,从而导致拉伸性能与断裂韧性随晶粒尺寸变化的相反关系。疲劳拉伸和疲劳弯曲的断裂过程均为形成Griffiths裂纹导致最终脆性解理断裂。压缩试验变形断裂过程中,裂纹由垂直于压缩轴的拉伸应力和倾斜于压缩轴的剪应力引起。这些研究成果提出了全面的、深入的、具有创新点的TiAl合金断裂机理理论,得到国际同行的重视,最终有助于新材料、新组织的开发。

2.主要的科技创新贡献及国内外影响

1)提出了TiAl基合金的断裂机理,特别指出裂纹优先产生于层间,层间是最薄弱的环节,解理裂纹起裂与扩展的驱动力是拉伸应力。这些论点发表在国际期刊Metall.Materal.Trans.A上,评审人认为是对TiAl基合金断裂机理既有观点的一个挑战(Challenge)

2)提出了裂纹尖端的超钝化、分叉、沿层偏转,形成显微裂纹区,裂纹停在层片位相与裂纹扩展方向不利的障碍晶粒边界处或障碍晶粒与晶粒的边界等为 TiAl基合金的韧化机理。这些创新论点发表在Materials Science and Engineering A》、《J Mater Sci》、《Materials Science and Technology等期刊上,对以前论点进行了重要修正,对新一代TiAl材料的开发提供了重要的理论根据。

3)指出TiAl基合金材料发生损伤时存在两种效应:微裂纹损伤的作用表现为体积效应和面积效应。这一创新性研究成果发表在Materials Science and Engineering A》、《Engineering Fracture Mechanics 等重要期刊上,填补了国际上在该研究领域的空白。利用该理论可以进一步认识TiAl合金的损伤行为,为TiAl基合金材料的制备和性能改善提供了一定的理论根据。

4)指出 TiAl基合金断裂韧性与拉伸性能随晶粒尺寸增加的相反关系的原因:拉伸试验和缺口弯曲试验的断裂过程不同,从而导致两种组织拉伸性能与断裂韧性之间的相反关系。论点发表在Materials Science and Engineering A》、《J Mater Sci》、《Materials Science and Technology等期刊上,得到了审阅者的好评。

5)提出TiAl基合金的疲劳拉伸和疲劳弯曲的断裂机理:疲劳拉伸断裂的机理为Griffiths裂纹源引起的解理断裂。疲劳弯曲的断裂过程是疲劳裂纹的总长度达到与所加疲劳外加力所匹配的临界裂纹长度时,突然发生整体解理断裂。这些研究填补了TiAl合金在疲劳断裂机理方面研究的空白,相关成果发表在Engineering Fracture Mechanics期刊上。

6)提出TiAl基合金压缩变形断裂机理:试样在变形及断裂过程中受压应力及拉伸应力的共同作用,因而也在断口上出现了剪应力形成的平坦断口和拉应力形成的解理断口两种断裂形态。该研究为TiAl基合金在实际涡轮叶片中的应用奠定了基础,相关成果发表在Materials Science and Engineering A期刊上。

TiAl金属间化合物断裂及损伤行为的研究” 2010年度甘肃省高校科技进步三等奖;相关研究发表国际论文12(SCI源刊) 、国际会议论文2篇,国内核心期刊论文20余篇。其中SCI收录论文16篇,EI收录论文18篇。

成果清单

序号

成果类型

成果名称

完成人

刊物、出版社或

授权单位名称

年、卷、期、页

或专利号

1

论文

Study on compression deformation, damage and fracture behavior of TiAl alloys:Part I. Deformation and damage behavior

R. Cao, L. Li, J.H. Chen, J. Zhang

Materials Science and Engineering A

2010,527: 24552467

2

论文

Study on compression deformation, damage and fracture behavior of TiAl alloys:Part П. Fracture behavior

R. Cao, L. Li, J.H. Chen

Materials Science and Engineering A

2010,527: 24682477

3

论文

Effects of microcrack-damage on fracture behavior of TiAl alloy part I displacement-controlled tensile test

Cao, R. Zhu, H. Chen, J.H

Materials Science and Engineering A

2008,474,No1-2: 114

4

论文

Effects of microcrack-damage on fracture behavior of TiAl alloy. Part II: Load-controlled tensile test

Cao, R. Zhu, H. Chen, J.H

Journal of Materials Science

2008,43(1): 299311

5

论文

Fracture behaviour of a TiAl alloy under various loading modes.

Cao, R. Lin, Y.Z. Hu, D

Engineering Fracture Mechanics

2008,75(15): 4343-4362

6

论文

Effects of repeated loading on the fracture behavior of notched TiAl specimens

Cao, R. Chen, J.H

Engineering Fracture Mechanics

2008,75(14): 4019-4035

7

论文

TiAl涡轮轴与K418轴套过盈配合内应力分析

曹睿,李雷,张继

理化检验-物理分册

2010,46(9):552-556

8

论文

失效的TiAl合金增压涡轮断口分析

曹睿,刘海军,何洪

失效分析与预防

2010,5(2):85-88

9

论文

TiAl 基合金弯曲疲劳的断裂机制

曹睿,林有智,

陈剑虹

稀有金属材料与工程

2009, 38(4),637-641

10

论文

加载速度对TiAl 基合金缺口弯曲断裂机制的影响

曹睿,雷明霞,

陈剑虹

稀有金属材料与工程

2008,37(7),1257-126

11

论文

TiAl 基合金拉伸试验断裂过程及机理

曹睿,林有智,

陈剑虹

机械工程学报

2008,44(1),40-45

12

论文

不同应变速率下TiAl 基合金压缩断裂行为的研究

李雷, 曹睿,

 张继

稀有金属

2008,32(1),13-16

13

获奖

TiAl金属间化合物断裂及损伤行为的研究

曹睿,陈剑虹,朱亮

甘肃省高校科技进步三等奖

2010

 

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