（材料学专业论文）几种新工艺制备的nialcr（mo）共晶合金的组织与机械性能.pdf

大连理t 大学1 尊十学位论文 摘要 长程有序b 2 结构金属间化合物n i a l 由于具有密度低、导热性好、良好的抗高温氧 化能力和较好的高温稳定性等优点，成为当前令人瞩目的一类材料，并有希望取代现有 的n i 基、f e 基高温合金应用于更高的温度和更恶劣的环境中。但n i a l 的室温脆性和 高温强度低，阻碍了n 认1 及其合金的实际应用。在脆性的n i a l 基体中加入难熔的金 属相形成共晶合金是改善n i a i 合金性能的一种有效的方法。其中，等轴晶或柱状晶 n i a l - 2 8 c r - ( 6 - x ) m o - x h f ( 1 x o 1 5 ，原子百分比) 共晶合金具有优异的高温强度和蠕 变性能，而比重仅比n i a l 增加6 ，抗氧化性能也与n i a l 相当。但存在于n i a l c r ( m o ) 相界的n i z a i h i 相使相界呈台阶状，这使得合金的室温压缩塑性和韧性降低。本文研究 了b 、d v 的微合金化和喷铸、吸铸、粉末冶金及喷射沉积等先进的制备工艺对n i a l c r ( m o ) 共晶合金的性能的影响以及其机制。 在真空非自耗炉中分别制各不同b 和d y 含量合金的钮扣锭来进行微合金化研究， 所有合金锭均在高温箱式电阻炉中进行匀质化退火处理，制度为：1 5 2 3 k 2 4 h ，炉冷。 快速凝固、粉末冶金和喷射沉积所用的母合金在真空感应炉中熔炼。快速凝固工艺采用 喷铸和吸铸两种方法，粉末冶金采用热压预合金粉的方法，喷射沉积采用氩气为雾化气 体，对沉积坯进行了1 5 7 3 k 1 5 0 m p a 3 h 热等静压处理。 微量b 和d y 的加入细化了铸造n i a l - 2 8 c r - 5 8 m o - 0 2 1 - 1 t 合金的显微组织并偏聚到 共晶胞界起到强化晶界的作用。b 除了偏聚到共晶胞界外还分布在。似o ) 相中，过量b 的加入会导致枝晶组织的出现，当b 含量达到0 1 w t 时，合金的微观组织主要为枝晶 组织。d y 则完全偏聚到共晶胞的胞界，在所加入的范围，d y 没有引起枝晶组织的出 现。微量b 和d y 的加入强化了晶界，使铸造n i a l - 2 8 c r - 5 8 m o - - 0 2 h i 合金的室温断裂 方式由胞间断裂变为胞内断裂。微量b 加入使铸造n i a i - 2 8 c r - 5 8 m o - - 0 2 h f 合金的室温 压缩塑性提高，高温强度不变。d y 加入量为o 1 w t 对，合金的综合压缩性能最佳。合 金性能的改善可归结为共晶层片细化及晶界强化。通过对真空感应熔炼n i a i - 2 8 c r - 6 m o ( 含有0 1 d y + 0 0 1 5 b ，w t ) 和n i a l - 2 8 c r - 5 7 m o - - 0 3 h f 普通铸造合金的室温和高温压 缩性能的对比表明微量b 和o y 在s i a l - c r f m o ) 合金中的作用优于少量h f 的作用。 利用喷铸法和吸铸法两种快速凝固工艺分别制备了n i a l 2 8 q - 6 m o ( 含有 0 1 d y + 0 0 1 5 b ，w t ) 和n i a i - 2 8 c r - 5 7 m o - 0 3 h f 两种共晶合金。由于共晶n i 扯 c r ( m o ) 合金的固液区间狭窄，其喷铸的成形性较差，吸铸能促进液态金属的流动从而改善 儿种新r 艺制备的n i a i c r ( m o ) 共品台金的组纵与机械性能 了其成形性。两种快速凝固工艺使合金的组织细化，层片的细化比共晶胞的细化显著。 快速凝固工艺使合金各组成相的成分发生变化。快速凝固工艺能使合金的伪共晶区向高 熔点相方向偏移，从而导致了先共晶n i a i 相的出现。快速凝固工艺使合金的高温压缩 强度得到改善，其中h f 在n i a l 相中的溶解对提高合金的高温强度效果明显。 粉末冶金采用热压预合金n i a i - 2 8 c r - 6 m o ( 含有0 1 d y + 0 0 1 5 b ，w t ) 粉的方法。 氩气雾化预合金粉末组织细小、均匀，但吸附了一定的气体。热压合金组织细小，气孔 是热压n l a i - 2 8 c r - - 6 m o 合金的主要缺陷。热压n i a l - 2 8 c r - - 6 m o 合金的断裂韧性和瞬态 拉伸性能较好，但拉伸蠕变性能较差。在蠕变过程中，热压n i a l - 2 8 c r - 6 m o 的组织无 明显变化，裂纹主要起源于热压合金的气孔。加入少量z r 以自身为基的固溶体形式存 在，而且合金的力学性能得到改善； 氩气雾化喷射沉积坯中有大量不规则的气孔存在，在厚度方向上其分布是不均匀 的，热等静压可以明显减少气孔。喷射沉积坯组织细小均匀，无新相产生，经热等静压 后组织无明显变化。与普通铸造合金相比，喷射沉积坯中各组成相的成分发生变化，热 等静压喷射沉积合金的室温塑性和高温强度都得到了改善。热等静压喷射沉积舍金的高 温压缩蠕变方程为i = 1 2 0 6a 4 6 s e x p ( 2 9 1 8 r t ) 。其蠕变激活能接近n i a i 的自扩散激活 能，该合金蠕变是由n i a l 基体晶格自扩散引起的位错攀移所控制的。 不同方法制各的n i a l - - c r ( m o ) 共晶合金在2 1 0 4 应变速率下，吸铸含合金具 有最高的高温强度而喷射沉积合金具有最大的室温压缩塑性，热压含盈合金具有最佳 的综合性能。 关键词：n l m - - c r o v l o ) ；微合金化；制备工艺；机械性能 大连理1 ：大学| 尊士学位论文 m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fn i a i - c r ( m o ) e u t e c t i ca l l o y sp r o c e s s e db yv a r i o u sn e wr o u t e s n i a ih a sr e c e i v e dm u 曲a r e n t i o na sap r o m i s i n gc a n d i d a t ei nt h es e a r c hf o ral o w d e n s i t y 1 l i g h s 仃e n g t hs t r u c t u r a la l l o yf o rh i g h p e r f o r m a n c et u r b i n ee n g i n ea p p l i c a t i o n so w i n gt oi t s a t t r a c t i v ea d v a n t a g e so v e rt h ec u r r e n t l yu s e dn i c k e l - b a s e ds u p e r a l l o y s ，i n c l u d i n gl o wd e n s i t y ， h i g hm e l t i n gp o i n t ，e x c e l l e n tt h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n de x c e p t i o n a lo x i d a t i o nr e s i s t a n c e u n f o r t u n a t e l y ，t h er o o mt e m p e r a t u r ed u c t i l i t ya n dt o u g h n e s sa sw e l la st h eh i g ht e m p e m t l l r e s t r e n g t ho fn i a lb a s e da l l o y sh a v en o tb e e ns u c c e s s f u l l yo v e r c o m ew h i c hh o l du pt h ep r a c t i c a l i m p l e m e n t a t i o no ft h e m r e s e a r c ho nn i a lh a si n d i c a t e dt h a tan u m b e ro fe u t e c t i ca l l o y s c o n s i s t i n go fn i a lp o s s e s sb o t hi m p r o v e dt o u g h n e s sa n dc r e e ps t r e n g t h a d d i t i o n a l l y ， i n c u r p o m t i o no far e f r a c t o r ym e t a l l i cp h a s ew i t h i nt h eb r i 吡en i a lm a t r i xi so n eu s e f l l l t e c h n i q u ew h i c hh a sb e e ni n v e s t i g a t e da sam e t h o dt oo b t a i nb e r e rp r o p e r t yo fn i a ia l l o y i n p a r t i c u l a r , t h ee q u i a x e da n dc o l u m a rn 谶- o ( m o ) - h fa l l o y sd e v e l o p e db yg u o a n dh i sg r o u p e x h i b i t sm u c hb e t t e re l e v a t e dt e m p c m t u r cs t r e n g t ha n dc r e e pr e s i s t a n c ew i t ho n l y6 w e i g h t i n c r e a s ea n di n a p p r e c i a b l el o s so fo x i d a t i o nr e s i s t a n c e b u tt h en i 2 a l i - i fh e n s l e rp h a s e ，e x i s t i n g a tt h en i a i c r ( m o ) i n t e r f a c e ，m a k e st h en i a v o f m o ) i n t e r f a c es e r r a t e da n dl e a d st ot h el o w e r d u c t i l i t ya n dt o u g h n e s s i nt h i sp a p e r , t h em i c r o a l l o y i n ga n dv a r i o u sf a b r i c a t i o nm e t h o d sa r e t i i e dt o i m p r o v e t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o ft h e n i a l - c r ( i o ) e u t e c t i ca l l o y sb y m i c r o s t m c t u r er e f i n e m e n t t h eb u t t o nb i l l e t sc o n t a i n i n gd i f f e r e n ta m o u n to fd yo rbu s e df o rm i c r o a l l o y i n gs t u d ya r e a r c - m e l t e du n d e ra na r g o na t m o s p h e r eu s i n gan o n - c o n s u m a b l et u n g s t e ne l e c t r o d e t h eb u t t o n b i l l e t sa r eh o m o g e n i z e da t1 5 2 3 kf o r2 4 hi na i rf o l l o w e db yf u r n a c ec o o l i n gt or t t h em a s e r a l l o y sf o rr a p i ds o l i d i f i c a t i o n ，p o w d e rm e t a l l u r g ya n ds p r a ya n dd e p o s i t i o ni n v e s t i g a t i o n sa r e p r e p a r e di nv a c a u l l li n d u c t i o nf u l t l a c e b o t hi n j e c t i o nc a s t i n ga n ds u c t i o nc a s t i n ga r ec o n d u c t i o n f o rr a p i ds o l i d i f i c a t i o ni n v e s t i g a t i o n t h eh o tp r e s s i n gi su s e dt oc o n s o l i d a t ea t o m i z e dp o w d e r s i np o w d e rm e t a l l u r g yr o u t e t h em o l t e nm a s t e ra l l o yi sa t o m i z e db ya r g o n ，a n dt h e na t1 5 7 3 k t h ed e p o s i t e db i l l e ti sh o ti s o s t a t i cp r e s s e du n d e r1 5 0 m p af o r3h o u r s t h em i n o rd ya n dba d d i t i o n sl e a dt om i c r o s t r u c t u r a lr e f i n e m e n ta n de u t e c t i cc e l l b o u n d a r ys t r e n g t h e n i n gt h r o u g hs e g r e g a t i o na t t h ec e l l u l a rb o u n d a r yi nc a s tn i a i - 2 8 c r - 5 8 m o _ 0 2 h fa l l o y t h ebi sp a r t i t i o n e db o t hi n t oc r o 订o ) p h a s ea n da tt h ep h a s ei n t e r f a c ei n 0 1 w t bc o n t a i n i n ga l l o y t h ee x t r abr e s u l t s i nt h ed e n d r i t i cn i a la n dt h ed e n d r i t i c m 几种新i 艺制各的n i a l c r ( m o ) 共晶合金的组织与机械性能 m i c r o s t r u c t u r ed o m i n a t e si n0 1 w t bc o n t a i n i n ga l l o y t h ed yi sd i s t r i b u t e da tt h ec e l l u l a r b o u n d a r ya n dn od e n d r i t eo c c u r si nd yc o n t a i n i n ga l l o y si nt h ei n v e s t i g a t e dd yr a n g eo f0 - 0 2 w t t h er tc o m p r e s s i v ed u c t i l i t yi sp r o p o r t i o n a lt ot h ebc o n t e n ti nt h eb c o n t a i n i n ga l l o y s w i t h o u ti m p r o v e m e n ti nh i g i lt e m p e r a t u r ec o m p r e s s i v es t r e n g t ha n dt h eb a l a n c eo fp r o p e r t i e si s a t t a i n e da tt h ea m o u n to f0 1 w t d yf o rd yc o n t a i n i n ga l l o y t h ei m p r o v e m e n ti nc o m p r e s s i v e i sa t t r i b u t e dt ot h eb o u n d a r ys t r e n g t h e n i n ga n dr n i c r o s t r u c t u r a lr e f i n e m e n t t h ee f f e c c to ft r a c e ba n dd yi ss u p e r i o rt ot h a to fs m a l la m o t m to fh fi nt h ec o n v e n t i o n a l l yc a s tn i a l - c r ( m o ) e u t e c t i ca l l o yi nt e r m so f c o m p r e s s i v eb e h a v i o r t h el a m e l l a rr e f i n e m e n ta n dc o m p o s i t i o nc h a n g ei nc o n s t i t u e n tp h a s et a k e sp l a c ed u r i n g t h er a p i ds o l i d i f i c a t i o n t h er a p i ds o l i d i f i c a t i o nc a s t a b i l i t yi sw e a kf o rt h en 谢- c r ( m o ) e u t e c t i c a l l o yo w i n gt ot h en a r r o wl i q u i d s o l i dz o n ea n dt h es u c t i o nc a s t i n gc a ni m p r o v et h ec a s t a b i l i t y b ya c c e l e r a t i n gt h ef l o wo ft h em o l t t h ep r i m a r yn i a id e n d r i t e sa r ei n t r o d u c e db yt h er a p i d s o l i d i f i c a t i o nb e c a u s et h ep s e u d o - e u t e c t i cr e g i o ni sm o v e dt ot h eh i g h - m o l t i n g - p o i n tp h a s ei n p s e u d ob i n a r yp h a s ed i a g r a m t h ei m p r o v e m e n to fh i g ht e m p e r a t u r ec o m p r e s s i v es t r e n g t hh a s b e e na c h i e v e df o rt h ei n j e c t i o nc a s tn i a l - 2 8 c r - 6 m oa n ds u c t i o nc a s tn i a l - 2 8 c r - 5 7 m o o 3 h f a l l o y s a n d d i s s o l u t i o n o f h f i n n i a i p h a s e i s b e n e f i c i a l t o t h e t h ea t o m i z a t i o np r o c e s sp r o d u c e st h ep o w d e r sw h i c ha r eu n i f o r m l yr e f i n e ds i z e t h e p o w d e r sa r ec o n t a m i n a t e di nt h ea t o m i z a t i o np r o c e s sa n dt h ep o r o s i t yw a st h em a i nd e f e c ti n t h ep o w d e rm e t a l l u r g ya 1 1 0 ya n dt h em i c r o s t r u c t u r eo ft h eh o tp r e s s e dp r e a l l o y e dp o w d e r si s a l s or e f i n e da n du n i f o r m i nc r e e p ，t h em i c r o s t r u c t u r eo ft h eh o tp r e s s e dn i a l - 2 8 c r - 6 m oi s i n v a r i o u sa n dt h ec r a c k so r i g i n a t ef r o nt h ep o r o s i t y t h eh o tp r e s s e dn i a l - 2 8 c r - 6 m oa l l o y e x h i b i t e dah i g h l e v e lc o m b i n a t i o no ff r a c t u r et o u g h n e s sa n dt e n s i l es t r e n g t h ，w h e r e a st h e t e n s i l ec r e e pr e s i s t a n c eo ft h ep ma l l o yw a sd e g r a d e d t h ea d d i t i o no fo 5 w t z rf u r t h e r e n h a n c e st h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ep m a l l o y m a n yi r r e g u l a rp o r e sa r eu n e v e n l yd i s t r i b u t e dt h r o u g ht h i c k n e s so ft h ed e p o s i t e dn i a j 一 2 8 c r _ 6 m oa l l o ya n dt h e h o t i s o s t a t i c - p r e s s i n g c a nd e c r e a s et h e p o r o s i t yg r e a t l y t h e m i c r o s t r u c t u r eo ft h ea l l o yp r o d u c eb ys p r a yd e p o s i t i o nt e c h n i q u ei sr e f i n e da n dt h ea l l o y i n g e l e m e n tc o n c e n t r a t i o no ft h ec o n s t i t u e n tp h a s e si se x t e n d e d n on e wp h a s ei si n t r o d u c e di nt h e s p r a yd e p o s i t i o np r o c e s s t h ep o r e so ft h es p r a y e db i l l e ta r ed e c r e a s e da n dt h em i c r o s t r u c t a r ei s h a r d l yc h a n g e db yh i p i n g t h ec o m p r e s s i v ep r o p e r t i e sa r ci m p r o v e db ya t o m i z a t i o na n ds p r a y t e c h n i q u ec o m p a r e dt oc o n v e n t i o n lc a s t i n ga n dt h ec o m p r e s s i v ec r e e pm e c h a n i s mi sa t t r i b u t e d t ot h ed i s l o c a t i o nc l i m b i n gb ys e l f - d i f f u s i o n i v 人连理i 。大学博士学位论文 a tt h es t r a i nr a t eo f2 x l o - 3 s 一t h es u c t i o nc a s ta l l o yc o n t a i n i n gh fh a st h eh i g h e s th i g h t e m p e r a t u r ec o m p r e s s i v es t r e n g t h ，t h es p r a yd e p o s i t e da l l o ye x h i b i t st h eb e s tr tc o m p r e s s i v e d u c t i l i t ya n dt h eh o tp r e s s e dn i a i - 2 8 c r - 6 m oa l l o yc o n t a i n i n gz rp r e s e n t st h e o p t i m a l c o m b i n a t i o no fr ta n dh i g ht e m p e r a t u r ec o m p r e s s i v ep r o p e r t i e si nt h ea l ls t u d e da l l o y s k e yw o r d s ：n i a i - c r ( m o ) ；m i c r o a l l o y i n g ；f a b r i c a t i o n ；m e c h a n i c a lp r o p e r t y v 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：! 刍i 呈日期：兰丝! ：! ：堑 几种新工艺制鲁的n i l q o 螂共晶合金的组织与机械性能 - 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全都或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名： 蛊壅 j 么侮 皇巫t f j 月卫日 人连理， ：人学溥十学位论文 1 绪论 随着航空航天工业的迅速发展，为了满足燃气涡轮发动机的高推重比、高增压比 和高涡轮前温度的三高要求，对高温结构材料的要求也越来越高，而涡轮叶片及其材料 是关键。虽然通过冷却系统的设计，在一定程度上可以提高涡轮前温度，但起决定作用 的仍是叶片材料。n i 基高温合金尽管有较好的稳定性，但使用温度己达到其绝对熔点 温度的8 0 ，接近它们的极限。目前材料学界面临的一个重大挑战是研制新一代的高温 合金以替代飞行器推进系统中燃气涡轮发动机热端部件的镍基高温合金。 替代镍基高温合金的新一代材料必须具备高强度、高熔点、低密度、优异的高温抗 氧化性、组织稳定和成本低廉等特点。金属间化合物是由两种或两种以上金属元素和类 金属元素按照一定的原子比组成的化合物，通常构成化合物的原子有序地排列在两个或 两个以上亚点阵中。原子键的结合不再仅仅是金属键，还包括离子键和共价键。正是由 于这种键合特征，它和其组成元素的合金相比，呈现出更高的工作温度、比强度、比刚 度及抗氧化能力，作为一种很有应用前景的高温结构材料，可以用来填补高温合金与结构 陶瓷材料之间的使用温度的空白。金属间化合物作为功能材料已得到广泛应用，如化合 物半导体、超导体、储氢材料、记忆合金及磁性材料等，但其室温脆性却阻碍了作为结 构材料的研究与开发。不同种类的合金的脆化原因不同，有晶界脆性引起的、有晶体结 构决定的、也有环境因素引起的。直到7 0 年代末，青木等人发现在n i r a l 中添加微量 的b 元素后，室温塑性大幅度提高，从而为金属间化合物的韧化指明方向后，金属间化 合物才重新成为先进材料的研究热点。目前，许多金属间化合物的研究工作已经取得了 显著的进展。与n i 基高温合金相比，n i a l 拥有较高的熔点、较低的密度、极高的结构 稳定性、良好的热传导性、良好的抗氧化性能等；相对于其它金属间化合物而言，n i a i 合金有更低的韧脆转变温度( d u c t i l eb r i t t l et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e ，d b t t ) ；而与陶瓷 材料比较起来，n i a l 还能够使用传统的方法进行冶炼和加工。近半个世纪以来，世界 各国的科学家对n i a l 及其合金开展了广泛而深入的基础研究和应用研究，对n i a i 的微 观结构、合金化、多晶、单晶、复合材料的机械性能、变形机制、环境特征等性能均进 行了比较系统和深入的研究，取得了丰富的研究成果。 郭建亭于2 0 0 3 年底出版了有序金属间化合物镍铝合金专著，系统介绍了中国 科学院金属研究所金属间化合物研究小组1 6 年来在n i a i 研究方面取得的科研成果。本 文在此基础上进一步研究了该合金的微合金化和高温性能，着重于快速凝固工艺方面的 研究，致力于该合金的实用化。 儿种新i 艺制备的n i a i c r ( m o ) 共晶合金的组织与机械性能 1 1n i a i 的物理性质 人们对n i a l 基本物理性质的研究包括许多方面，比如电子结构和成键特征、电磁 性质和热性质、热力学性质、弹性性质等等，表1 1 给出了n i a i 基合金和n i 基合金的 一些物理参数啪。 表1 1n i a i 、n i a i 合金和先进高温合金的物理性能。 t a b l e1 1p h y s i c a lp r o p e r t i e so f n i a l ，n i a ! a l l o y sa n da d v a n c e ds u p e r , a h o y 1 ) 台金添加5 的合金元素并具有初晶的n i a l 组织 2 ) 通用公司的差热分析的数据为1 9 9 5 k n i a i 的晶体结构为有序立方b 2 结构，这种b 2 型体心立方晶胞晶体结构可以描述为 两种立方结构穿插而成，n i 和a l 原子分别占据两种亚晶格的顶点，如图1 1 所示，当部分 伽被t i 、n b 、h f 、v 、t a 、z r 取代时，n i a l 的晶体结构将进一步有序化形成h c u s l c r 相，其组成为n i 2 a 1 x ，结构为1 3 2 1 型超点阵。n i a i 的b 2 型晶格结构空间点阵群为 p m 3 m ，属c s c l 型。a 型1 3 2 品格结构十分稳定，最大形成能达到7 2 k j ，m o l 。n i a i 为 人连理。f 人学博七学位论文 h u m e r o t h e r y 电子化合物，具有3 2 的价电子数原子数比，键合类型是会属键与共价键 的混合型，其有序性可解释为电荷捐赠和静电效应共同作用的结果。这种强键结合使得 n i a l 具有很高的有序能，位错运动变得相对困难，并且有序结构可延续至从室温到熔点 的整个温度范围。 图1 1 n i a i 的晶体结构 n 蛋1 1c r y s t a ls t r u c t u r eo f m t e r m e t a l l i cn i a l 兰 曼 嚣 萋 兰 图1 2 二元n i a l 相图 h g 1 2n i a ib i n a r yp h a 鲫d i a g r a r n 单相n i a l 在室温时可以在a l 含量为4 5 6 0 a t 的范围内稳定存在，这可以从n i a i 二元相图看到( 见图1 2 ) 。因而制备单相n i a l 非常容易，而且也为宏合金化改善 n i a l 合金的室温脆性和高温强度提供了机会。 几种新一艺制备的n i a l c r ( m o ) 共品台金的r 织与机械性能 1 2n i a i 化合物的变形机制和力学性能 1 2 1 滑移系统 关于n i a i 单晶和多晶的可动滑移系已开展了大量的研究。“。一般情况下，n i a l 的滑移系分为两大类：( 1 ) 软取向单晶和多晶n i a i 的滑移矢主要为 ；( 2 ) 如果单晶 加载方向沿 0 0 1 即所谓硬取向，其中低温变形的滑移矢为 ，高温下 和 矢滑移同时存在。b a l l 和s m a u m a n “”最早对软取向单晶进行了系统研究，确定其滑移 系统为 姐1 0 ) ，并观察到在正交f 1 1 0 ) 面上有交滑移或铅笔式滑移。软取向单晶中 发现 位错核具有紧密、不易分解的结构，因此比其它方向的滑移容易得多。硬取 向单晶由于临界分切应力为零，其变形主要通过非 位错运动。由于其低温强度 高，高温蠕变性能好“1 ，人们对硬取向单晶变形机制进行了大量研究，发现在7 7 k - 6 0 0 k 温度范围内，硬取向单晶的主滑移矢为 ，滑移面为 1 1 2 ) ；在高于其脆性一 塑性转变温度时，变形通过 和 位错的非守恒运动进行。多晶n i a i 的滑移与 软取向单晶相近，例如，b o w m a n 等、n a g p a l 等嗍和c o t t o n 等“”都报导了多晶n i a i 的滑移方向为 ，滑移面为f 1 1 0 ) 或 1 0 0 。表1 2 为n i a 单轴变形时观察到的的滑 移系。 表1 2n i a i 单轴变形时观察到的滑移系 t a b l e1 2o b s e r v e ds l i ps y s t e m si ne n i a x i a n yd e f o r m e dn i a i 1 2 2n i a l 的屈服强度和流变应力 n i 舢及其合金的屈服和流变行为对温度、成分、应变速率、晶粒尺寸、冷却速率 和织构、试样的表面光洁度及试样的制备工艺等参数十分敏感，加上很难测定杂质元索 的含量及成分偏离因素的影响，因而各种因素的是十分复杂的。但是，通过对影响因素 的定性分析在一定程度上仍可总结出n i a i 及其合金的屈服和流变行为的规律性。 人近理i + 人学博士学位论文 与体心立方金属类似，n 认】的力学行为强烈地依赖于温度变化。尽管屈服应力对 冶会因素非常敏感，但所有的研究表明：屈服应力与温度变化的曲线形状依赖于成分和 应变速率，且变化趋势趋于一致。室温以下的屈服应力强烈地依赖于温度，在稍高于室 温的一定范围内屈服应力达到一个平台，当温度超过这一范围，屈服应力随着温度的升 高而下降。典型的多晶n a i 屈服强度和温度的关系示于图1 3 。 t e r n 坤n , t t , m r o q 图1 3 多晶n i a ! 的屈服强度与温度的关系 f i g 1 3t e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo f y i e l ds t r e n g t ho f p o l y c r y s t a ln i a i t 。_ 。- ro 竹 图1 4 多晶n i a i 的屈服强度和拉伸塑性与温度倒数的关系 f i g 1 4y i e l ds t r e s sa n dt e n s i l ed u c t i l i t yo f p o l y c r y s t a l l i n en i a ! a sa ni n v e r s ef u n c t i o no ft e m p e r a t u r e 几种新j ：艺制备的n i a j c r ( m o ) 共晶合金的组织与机械性能 将应力和温度以a r r h e n i u s 形式绘成曲线，见图1 4 | 1 ”。可以看到曲线的斜率变化分 为3 个明显的区域，曲线斜率的变化通常表示激活能的变化，即变形机理的改变。研究 发现：斜率的变化总是发生在合金的d b i t 处，说明d b t r 对应着热激活变形机理的 开动【“。 化学成分在一定范围内偏离化学计量比，n i a l 的晶体结构保持不变。在富n i 的 n i a l 中，会产生反位缺陷，即n i 原子占据触原予的位置，在富a l 的n i a i 中，会在 n j 原子位置处产生空位，化学计量比的n i a i 强度和硬度最低而塑性最好。在中低温 下，偏离化学计量比的n i a l ，由于空位和反位原子阻碍位错运动而显著提高它的流变 应力。研究发现，富础合金的强化效果比富n i 合金的强化效果好【1 ”，表明空位比反位 原子更强烈地阻碍位错运动。随着温度升高，偏离化学计量比的影响逐渐减弱。 掌 请 ! u 鼍 吉 司 互 巴 窖 已 琶 i n t e r s t l 日a l ：，l 7 s u b s f i t u i 。n 3 f 訾j c il a 妇 l以j 星。 g o l d s c h m l d lt a d , u s n m 图1 s 不同元素对n i 触强化效果与原子尺寸之间的关系 h g 1 5r e l a t i o nb e t w e e nh a r d e n i n g r a t ea n de l e m e n ts i z e f o rv a r i o u sa l l o y i n ga d d i t i o n si nn i a i 在n i a i 合金中，添加固溶强化元素，可明显提高n i a l 的流变强度。这些元素包 括b e f l 4 】、b 1 1 4 。、c 【吲、d 1 5 , 1 7 、l a 埘、m o 、y 【“、和划8 捌等。各种元素的强化效 果，见图1 5 。可以看出，z r 、m o 、y 、b 强化效果显著。g e o r g e 和l i u 14 】等人比较了 这些元素的原予半径和n i a i 的晶格尺寸后认为，原子半径较小的b 、c 原子占据四面 体问隙位置，而其它半径较大的原子置换n j 或m 原子。间隙原子和置换原子使晶格发 人连理 人学博十学位论文 生畸变导致应力场，阻碍位错运动，从而提高n i a i 的强度。这种强化效应随着原子半 径增大