（材料学专业论文）tial及fe3al金属间化合物的大晶粒超塑性研究.pdf

上海交通大学 博士学位论文 摘要 t i a i 及f e 3 a l 金属间化合物的大晶粒超塑性研究 摘要 对于难加工的金属间化合物的超塑成形，大晶粒超塑性具有独特的优 势，无须事先进行复杂的热机械处理以获取细晶组织；形变后晶粒细化且 一般不产生空洞，可以改善材料的力学性能。对大晶粒超塑性的研究可以 为金属间化合物成形工艺寻求一经济可行的路线，阐明金属间化合物高温 变形中的组织演化规律，并丰富和完善超塑性理论。当前对金属间化合物 大晶粒超塑性的研究主要是要解决两个问题，其一是大晶粒超塑性是否具 有普遍性；其二是大晶粒超塑性的确切机制。 针对这两个问题，本文选取了1 ，一t i a l 和f e 3 a l 这两类晶体结构截然不 同的金属间化合物作为研究对象，系统考察了两种准单相的v t i a l 合金： t i 一4 7 a 1 - 2 c r 一2 n b - 1b ( t i a l c r n b b ) 和t i - 4 7 a 1 2 m n - 2 n b 一1b ( t i a l m n n b b ) 在 1 0 2 5 。c 1 1 0 0 0 c 和4 1 0 一1 2 8 1 0 七s 。1 的温度及应变速率范围内的高温 流变行为，以及f e 一2 8 a 1 和f e 一2 8 a 1 2 t i 两种f e 3 a 1 合金在中高温度( 6 0 0 0 c 8 0 0 0 c ) 的流变行为。通过光学金相、取向成像显微术( 9 i m ) 和透射电子显微 术等手段研究了上述合金在形变过程中的组织演化。1 结果发现： l 1 0 结构的v t i a l 合金可实现大晶粒超塑性、对经锻造处理的 t i a l m n n b b 合金，多数条件下可获得超过2 0 0 的延伸率，在11 0 0 。c 和4 1 0 4s 1 的条件下可获得2 8 7 5 的最大延伸率；铸态且晶粒更大的 t i a l c r n b b 合金，在1 0 5 0 。c 以上能获得大于1 0 0 的延伸率，最大为1 7 0 。 在所研究的变形条件下，两种t i a i 合金的流变行为基本上都表现出强 烈的应变软化特征，在较高应变速率下，流变曲线上往往存在明显的平台。 这种对应准稳态流变的平台被认为是由形变诱发孪晶所导致。对t i a l 合金 流变曲线的位错动力学分析表明，在准稳态流变阶段，晶内位错密度较低， 仅在1 0 比m 2 的数量级。 b 2 结构的f e 3 a l 合金在中高温时就能实现大晶粒超塑性，其中 f e 一2 8 a 1 2 t i 在6 5 0 0 c ( 0 5 4 0 5 5l ) 即具有超过2 0 0 的延伸率。两种f e 3 a 1 合金在所研究的温度和速率范围均呈现加工硬化特征和较长的加工硬化阶 段。f e 一2 8 a 1 2 t i 合金的加工硬化率对温度的衰减率( d h d r ) 高于f e 一2 8 a 1 合 金，而加工硬化率随应变的衰减率( d h , d z ) 贝l j 更低，相应地有更好的超塑性 能。在较高温度下，两种合金均出现初期软化现象，原单调加工硬化阶段 一l 一 上海交通大学 博士学位论丈 摘要 分裂成具有不同斜率的两段，而前一段的斜率可以是负值，此时完整的流 变特征表现为硬化( 初期) 专软化专轻度硬化( 或准稳态) _ 软化寸断裂。 这种软化现象出现的应变量低于0 1 。 t i a l 和f e 3 a 1 合金的超塑性表观激活能均接近体扩散激活能。t i a l 合 金的应力指数为3 4 ，f e 3 a l 的应变指数为3 6 ( f e 2 8 a 1 ，6 5 0 0 c 8 0 0 。c ) 和3 7 ( f e - 2 8 a 1 2 t i ，6 0 0 。c 7 5 0 。c ) ，均对应位错蠕变过程。f e 3 a 1 合金测 得的激活体积在b 3 数量级，对应位错攀移控制的速率机制。 t i a l 和f e 3 a 1 合金在形变过程中均发生了以亚晶形成为标志的连续回 复与再结晶，并最终导致晶粒细化。较低温度( 6 5 0 0 c 1 变形的f e 。2 8 a 1 2 t i 合金组织出现明显的拉长特征，形成扁平状的晶粒。这种晶粒的拉长是位 错滑移的特征，并被亚晶界对原始大晶粒的纵向分割所强化。在该温度下 小变形量的样品中观察到相交的滑移带。 除原始大角度晶界的连续破坏外，在两类合金中都存在亚晶界和大角 度晶界的动态生成及随应变进行的连续演变现象。在t i a l c r n b b 和 t i a i m n n b b 合金中曾分别观察到取向差为1 0 。5 0 0 和5 0 3 0 。的新晶界的 产生。 f e ，a 1 合金大角度晶界的分布具有倾向性，有几类c s l 晶界占有较高 的比例，其分布特征和温度、应变速率以及形变量有关。f e 2 8 a 1 2 t i 形成 c s l 晶界的趋势远高于f e 。2 8 a 1 合金。 t i a i 及f e 3 a 1 合金超塑变形的亚结构特征基本相同。亚晶界在小变形 量时主要分布在晶界和三岔节点附近，并发端于晶界不规则或台阶处，随 形变进行向晶内扩展；亚晶的尺寸及其在晶内的分布很不均匀，并和再结 晶晶粒的不均匀性相对应；亚晶内的位错密度相对较低。上述特征明显不 同于c l a s si 固溶体的蠕变组织特征，这两类合金的微观速率控制过程是受 体扩散控制的位错的攀移而非粘滞滑移。 以位错交滑移和攀移形成亚晶界，以及亚晶界吸收晶内位错造成取向 差连续增大进而形成小角度晶界和大角度晶界的亚晶回复与再结晶( 转动 再结晶) 机制是t i a l 和f e ，a 1 合金大晶粒超塑性的主要协调机制，变形量 则主要由晶内位错的滑移提供、 弋厂、 关键词：金属问化合物，大晶粒超塑性，连续回复与茌结晶，t i a i ，f e 3 a 1 i 上海交通大学 博士学位论文 a b s t r a c t d e f o r m a t i o n i n d u c e dt w i n n i n g t h ea n a l y s i so nt h ef l o wc u r v e sf r o mt h e v i e w p o i n t o fd i s l o c a t i o n d y n a m i c ss u g g e s t s ，t h ei n t r a g r a n u l a rd i s l o c a t i o n d e n s i t y i s r e l a t i v e l y 1 0 wa tt h e q u a s is t e a d y s t a t es t a g eo fs u p e r p l a s t i c d e f o r m a t i o n w h i c hi sa ta l lo r d e ro f10 “m f e l a l a l l o y s w i t hb 2 c r y s t a l s t r u c t u r ec a nr e a l i z e l a r g e g r a i n e d s u p e r p l a s t i c i t ya ti n t e r m e d i a t et e m p e r a t u r e s i nw h i c ht h ef e 。2 8 a 1 2 t ia l l o y h a v ee l o n g a t i o n so v e r2 0 0 u s to n l ya t6 5 0 0 c ( 0 5 4 0 5 5t 。) t w of e ，a 1 a l l o y sa 1 1 e x h i b i tw o r k h a r d e n i n gc h a r a c t e r i s t i e sa n d1 0 n g e rw o r k h a r d e n i n g s t a g e s t h ed a m p i n gf a c t o ro fw o r k h a r d e n i n gr a t ev s t e m p e r a t u r e ( a h a ni n f e 一2 8 a 1 2 t ii sh i g h e rt h a nt h a ti nf e 2 8 a 1 w h e r e a st h ed a m p i n gf a c t o ro f w o r k - h a r d e n i n gr a t ev s s t r a i n ( d h d 曲s h o w sr e v e r s er e l a t i o n s h i p ，w h i c ha r e c o r r e s p o n d i n gt ob e t t e rs u p e r p l a s t i c i t y a th i g h e rt e m p e r a t u r e ，p r i m a r ys t a g e s o f t e n i n gw a so b s e r v e di nb o t ha l l o y s t h eo r i g i n a l l ym o n o t o n i cw o r k - h a r d e n i n g s t a g es p l i ti n t ot w os t a g e sw i t hd i f f e r e n ts l o p ec o e 所c i e n t s t h ef i r s ts t a g em a y h a v ean e g a t i v es l o p et o e 伍c i e n t t h e nt h ef u l lf l o wc h a r a c t e r i s t i c sd i s p l a y e da s h a r d e n i n g ( p r i m a r ys t a g e ) - * s o f t e n i n g - m i l d l yh a r d e n i n g ( o rq u a s is t e a d y s t a t e ) 争s t r a i n s o f t e n i n g - - f r a c t u r e t h e c r i t i c a ls t r a i nf o r t h e o c c u r r i n g o fs u c h p h e n o m e n o ni sl o wt h a n0 1 f o rt i a la n df e l a la l l o y s ，t h ea p p a r e n ta c t i v a t i o ne n e r g i e so fs u p e r p l a s t i c d e f o r m a t i o na r ea 1 1c l o s et ot h e1 a t t i c ed i f f u s i o na c t i 、r a t i o ne n e r g i e s t h es t r e s s e x p o n e n t si nt i a la l l o y sa r el o c a t e di n3a n d4 w h i l ei nf e 3 a 1a l l o y sa r e3 - 6 ( f e 一2 8 a 1 。6 5 0 0 c 8 0 0 。c ) a n d3 7 ( f e 2 8 a 1 2 t i ，6 0 0 0 c 7 5 0 0 c ) ，a l l c o r r e s p o n d e dt o t h ep r o c e s s e so fd i s l o c a t i o nc r e e p a c t i v a t i o nv o l u m e s m e a s u r e di nf e l a la l l o y sa r ea ta no r d e ro fb 3 ，w h i c hs u g g e s tar a t ep r o c e s s c o n t r o l l e db yd i s l o c a t i o nc l i m b i n g c o n t i n u o u sr e c o v e r ya n dr e c r y s t a l l i z a t i o nd e s i g n a t e db ys u b g r a i n f o r m a t i o n o c c u r r e dd u r i n gs u p e r p l a s t i cd e f o r m a t i o nf o rt i a la n df e 3 a 1a l l o y s ， a n df i n a l l y1 e dt ot h er e f i n e m e n to fo r i g i n a lg r a i ns i z e t h em i c r o s t r u c t u r e d e f o r m e da t1 0 w e rt e m p e r a t u r ef 6 5 0 。c 1f o rf e 2 8 a 1 2 t ie x h i b i t e ds i g n i f i c a n t c h a r a c t e r i s t i co fl e n g t h e n i n g ，p a n c a k e - l i k eg r a i n sw e r ef o r m e d s u c h a l e n g t h e n i n go fg r a i n si sac h a r a c t e r i s t i co fd i s l o c a t i o ng l i d i n g ，a n ds t r e n g t h e n e d b yt h el o n g i t u d i n a ls e c t i o n i n go fo r i g i n a lg r a i n sw i t hs u b g r a i nb o u n d a r i e s a t t h es a m et e m p e r a t u r e ，c r o s s e ds l i pb a n d sw e l e a l s oo b s e r v e di nt h e s m a l l s t r a i n e ds a m p l e s b e s i d e st h ec o n t i n u o u sd e s t r u c t i o no ft h eo r i g i n a l l yh i g h - a n g l eg r a i n b o u n d a r i e s ，d y n a m i cf o r m a t i o na n de v o l u t i o no fl o w a n g l eg r a i nb o u n d a r i e sa n d h i g h a n g l eg r a i nb o u n d a r i e sd u r i n gd e f o r m a t i o ne x i s t e di nb o t hi n t e r m e t a l l i c s f o rt i a l c m ba n dt i a l m n n b ba l l o y s ，t h eg e n e r a t i o no fn e wg r a i n b o u n d a r i e sw h i c hm i s o r i e n t a t i o n se q u a lt o10 0 5 0 。a n d5 0 3 0 。，r e s p e c t i v e l y _ 二j 二- 一 上海交通大学 博士学位论丈 a b s t r a c t w e r eo b s e r v e d f e 3 a 1a l l o y ss h o wa nt e n d e n c yo fh i g ha n g l eg r a i nb o u n d a r i e sa r r a n g e da t s p e c i a ll a t t i c ep l a n e s s e v e r a lk i n d so fc s lb o u n d a r i e sh a v eh i g h e rp e r c e n t a g e w h i c hd i s t r i b u t i o na n ds t r e n g t hi sr e l a t e dw i t ht e m p e r a t u r e ，s t r a i nr a t ea n d d e f o r m a t i o nl e v e l ，f e 2 8 a 1 2 t is h o w sf a rs t r o n g e rt e n d e n c yt of o r mc s l b o u n d a r i e st h a nf e 2 8 a 1 t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs u b s t r u c t u r ef o r m e dd u r i n gs u p e r p l a s t i cd e f o r m a t i o n i nt i a la n df e l a la l l o y sa r ep r i m a r yt h es a m ei nt i a la n df e 3 a la l l o y s ， s u b g r a i nb o u n d a r i e sm a i n l yd i s t r i b u t e di nt h ea d j a c e n ta r e a so fg r a i nb o u n d a r i e s a n dc o m e r s a n ds t e m m e df r o mt h ei r r e g u l a rs i t e so rl e d g e s ，a n de x t e n d e dt ot h e i n t e r i o ro fg r a i n sw i t hi n c r e a s i n gs t r a i n t h es i z ea n dd i s t r i b u t i o no fs u b g r a i n s i ng r a i ni sv e r yh e t e r o g e n e o u s ，w h i c hi sc o r r e s p o n d i n gt ot h ei n h o m g e n e i t yo f r e c r y s t a l l i z e dg r a i n s b e s i d e st h a t t h ed i s l o c a t i o nd e n s i t yi ns u b g r a i n si s r e l a t i v e l yl o w a 1 1t h ec h a r a c t e r i s t i c sm e n t i o n e da b o v ea r ed i s t i n c tf r o mt h o s e i nt h ec l a s sia l l o yc r e e p t h er a t ep r o c e s si nb o t ht y p e so fa l l o yi st h e d i s l o c a t i o nc l i m b i n gc o n t r o l l e db y1 a t t i c ed i f l u s i o n 。n o tt h ev i s c o u sg l i d i n g t h es u b g r a i nr e c o v e r ya n dr e c r y s t a l l i z a t i o n ( r o t a t i o nr e c r y s t a l l i z a t i o n ) p r o c e s si s t h ed o m i n a n ta c c o m m o d a t i o nm e c h a n i s mf o rt h el a r g e - g r a i n e d s u p e r p l a s t i c i t yi nt i a la n df e 3 a 1a l l o y s ，i nw h i c hg l i d i n gd i s l o c a t i o n st r a n s f o r m i n t os u b g r a i nb o u n d a r i e sb yc r o s s - s l i p p i n ga n dc l i m b i n g ，a tt h em e a nt i m e ，t h e s u b b o u n d a r i e sa b s o r bi n t r a g r a n u l a rd i s l o c a t i o n st oi n c r e a s et h e i rm i s o r i e n t a t i o n s c o n t i n u o u s l ya n dt ob et r a n s f o r m e di n t ol o w - a n g l eg r a i n b o u n d a r i e sa n d h i g h a n g l eg r a i nb o u n d a r i e s ，w h i l et h e n e ts t r a i ni sm a i n l yp r o v i d e db yt h e g l i d i n go fi n t r a g r a n u l a rd i s l o c a t i o n s k e yw o r d s ： i n t e r m e t a l l i c s ，l a r g e - g r a i n e ds u p e r p l a s t i c i t y ，c o n t i n u o u s r e c o v e r ya n dr e c r y s t a l l i z a t i o n ，t i a i ，f e 3 a 1 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：霸耸 日期：2 力涉年，月睁日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密团。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：砝蟛 日期：幼吧年6 月i 妒日 指导教师签名：名鑫醺乐多 日期：绷年多月纡日 上海交通大学 博士学位论文 主要符号表 6 d d 昂 占 ，l f ，” m h 口 p q 月 p m ，p l 护 盯 t r y c o 主要符号表 位错b u r g e r s 矢量 晶粒直径，l a m 扩散系数，m 2 s 。 亚晶平均尺寸，u m 真应变 塑性应变 应变速率，s 。 加工硬化率，m p a 试样标距长度，m m 孪晶片层间距，a m 应变速率敏感性因子 t a y l o r 因子 剪切模量，g p a 应力指数 原子体积，矿 载荷，n ( 1 【g d 激活能，k j m o l 普适气体常数，k j m o l 。1 k 。 可动位错和晶内位错密度，m 。2 取向差，度( 。) 真应力，m p a c s l 单胞和晶体点阵单胞体积比 时间，s 温度，k ( 。c ) 位错运动速度 激活体积，b 3 晶界取向差，度( 。) 上海交通大学 博士学位论文 绪论 第一章绪论 1 1 引言 航空航天技术的发展，对发动机的性能提出了更高的要求。在提高发动机效率及增 大推重比的目标下。为替代传统高温合金，开发了一系列低比重，同时又具有良好高温 性能的新型材料。金属间化合物及以其为基的复合材料是其中的佼佼者。 所谓金属间化合物就是以金属元素或类金属元素为主组成的二元系或多元系中出 现的中间相。其结构与基本组元不同，具有简单的化学计量比和有序的超点阵结构。因 此也被称为有序金属间化合物。与一般金属材料相比，金属间化合物晶体结构中原子 作长程有序排列，原子间结合力强，除金属键外还有部分共价键形成，因此具有一系列 优异的性能，如熔点和弹性模量普遍较高等。铝化合物( m a 1 一x ，m ：金属，x ：其它合 金元素) 和硅化合物( m s i x ) 这两类金属间化合物还具有优秀的抗氧化性能，特别适用 于高温场合。表1 1 f 2 ，3 j 列出了当前研究的几种主要金属间化合物的结构及性能数据，作 为参照也给出了传统高温合金和t i 基合金的典型值。 对金属间化合物的研究早在2 0 世纪5 0 年代就己开始。之所以长期未能得到发展和 应用，主要是因为室温脆性无法解决。不同种类合金的脆化原因各有不同，有晶界脆性 引起的，也有晶体结构或环境因素引起的。直自7 0 年代末，和田修等人 4 1 在n i 3 a l 中 取得重大突破，发现微量元素b 可显著改善塑性( 可达4 0 - 5 0 ) ，从而为合会韧化指明 了方向后，金属间化合物才重新成为先进材料的研究热点。近年来，随着各国研究机构 和公司研究力量的加大投入，金属问化合物的研究工作取得了显著进展，特别是3a 】、 t i 3 a t 、t i a | 等合金的发展已较成熟，部分已实用化。 当前金属间化合物研究工作的主要焦点是在理解金属间化合物脆性机理的基础上， 优化组织，在维持或进一步改善高温性能的同时，提高使用温度，改善室温韧、塑性， 并发展与之配套的合金生产加工工艺。金属间化合物由于有序结构和低对称性，除室温 塑性差之外，通常中高温加工性能亦不太好，常规热加工手段很难奏效。因此有必要探 索开发各种新生产工艺，以达到降低成本、进行大批量生产的目标，这也是金属间化合 物实现商业化的重要保证。在众多方法中，超塑性成形作为一种大有潜力的近净成形工 艺( n e a r n e ts h a p e ) 以其独具的技术优势而备受瞩目，获得了广泛的应用和研究胪。 所谓超塑性是指金属和合金在特定组织结构和变形温度、速率条件下，呈现异常高 的塑性而不破坏的现象。2 1 。典型超塑性金属的单向延伸率可达百分之几百，甚至更高。 上海交通大学 博士学位论文 绪论 自2 0 年代首度发现超塑性现象以来，超塑性研究已极为深入。超塑性业已被用于数十 种有色及黑色金属的加工成形，例如铝合金汽车车身外壳的超塑性成形。 超塑性成形具有如下主要优点，特别适用于难加工材料： 夺材料在超塑性状态下塑性特别高，可承受大变形而不破坏。对于形状复杂的工 件，可实现一次成形而无需预成形工序。因此可减少工时，缩短生产周期。 夺变形抗力小。超塑变形时，进入稳定阶段后，不存在或很少有加工硬化。 夺可一次精密成形。超塑成形时金属除变形抗力小之外，流动性和充型性都很好。 早期的超塑性理论认为，超塑性是细晶材料在恒温变形时所具有的特征，只能是某 些合金所特有的现象。随着研究的深入发展，以及材料种类的多样化，发现粗晶粒合金、 黑色金属等材料在一定条件下通过同素异形转变、周期性相变、再结晶过程等，都可得 到很高的延伸率。上述材料的组织，并不要求微细晶粒，也不要求恒温，即可得到超塑 性。因此，逐步取得较为一致的看法，即超塑性现象是一般金属及合金的一种普遍特征。 目前对超塑性的分类，按照材料变形特点和所处状态，可分为组织超塑性( 细晶超塑性) 、 相变超塑性和其它超塑性三大类。这种分类同样适用于金属间化合物的超塑性研究。 表1 1t i a i 、n i a i 、f e a i 系金属间化合物和t i 合金以及高温合金的性能】 t a b l e1 1 p h y s i c a lp r o p e r t i e so fi n t e r m e t a u i cc o m p o u n d s ( t i a 1 ，n i - a 1 ，f e a t ) ，t ia l l o ya n ds u p e r a l l o y 性能t i 3 a l t i a l n i 3 a ln i a lf e 3 a l f e a l t i s u p e r a l l o y 结构d 0 1 9l 1 0l 1 2 b 2d o ，b 2b 2 h c p b e e f c c l 1 ， 密度( g c m 3 ) 4 1 4 73 7 3 97 45 96 7 25 5 64 57 9 8 5 熔点( o c ) 1 6 0 01 4 6 01 3 9 71 6 3 81 5 4 01 2 5 0 1 4 0 01 6 6 0 1 0 1 3 2 5 1 4 0 0 弹性模量( g p a ) 1 l o 1 4 51 6 0 1 8 02 0 01 9 01 4 1 2 6 09 5 1 1 52 0 6 1 2 细晶超塑性 组织超塑性应具备三个条件，即晶粒度细小、变形温度恒定、应变速率缓慢。具体如下 ( 对一般金属而言) ： 夺材料在变形前，晶粒应细化或超细化、等轴化，且在变形期间要保持稳定。晶粒细 化程度应达到0 5 5 m ，一般不超过1 0 岬。因此也被称为细晶超塑性。这类超塑 性变形主要靠晶粒间的滑动与转动进行，这就要求有数量多而短的晶界，只有细微 而又等轴的晶粒才易于满足这一点。晶粒尺寸保持稳定是指变形过程中，晶粒不长 大或长大较少，否则会出现应变硬化，降低塑性。 夺变形温度一般在材料的0 5 0 7w m 。组织超塑性是在恒温下产生的，没有相变等组 织、结构上的转变，故也被称为恒温超塑性或静态超塑性。 夺最佳应变速率为1 0 4 1 0 。s 。超塑性变形中的速率控制过程如原子扩散等协调过程 上海交通大学 博士学位论文 绪论 超塑性变形的流变应力和应变速率符合一般塑性变形的本构方程：仃= k 扩，6 ：真 应力；：常数；占：应变速率：珊：应变速率敏感因子。其中z 值是衡量超塑性能的一 个重要指标。从理论上说，肌值越高，材料抗缩颈的能力就越强，塑性也就越好。超塑 性流变的m 值通常在o 3 以上，典型值为o 5 。m 值为1 则标志完全粘性流变，一般塑 性变形通常有 1 01 0 7 01 0 35 6 00 4 35 2 6 n i l a l 一o 2 4 a t b t l 6 jy 1 67 0 0 5 2 1 0 。5 1 6 0 o 4 2 3 1 3 n i 8 5 a i 7 8 c r - 0 8 z r 0 0 2 b 州 y q 61 1 0 08 3 1 0 。6 4 0o 7 52 9 0 n i 一8 5 a i 7 8 c r _ 0 8 z r 0 0 2 b t 3 ， 7 竹 61 1 0 0 8 9 4 1 0 4 一 o 8 n i 2 5 a 1 2 5 c r 4 例 1 3 + r + c t 38 5 02 2 1 0 44 8 0o 5 2 5 0 t i 2 5 a 1 1 0 n b 3 v 1 m o t 2 2 2 4 j “2 + b 9 8 0 1 5 1 0 。4 5 7 005 43 0 8 t i 。2 5 a 1 1 0 n b 3 v 1 m o t 2 m 。2 + b 39 6 01 6 6 1 0 。31 3 5 0 0 4 t i 2 5 a 1 1 0 n b 一3 v 1 m o t 2 6 l “2 + 0 1 7 00 53 5 0 8 5 05 1 0 t i 2 5 a 1 1 0 n b 3 v 1 m o 2 6 】 “2 邯 。 1 0 5 0 5 1 0 3 。 0 73 4 0 3 0 t i 2 4 a 1 11 n b t 2 3 j “2 + b 49 8 03 3 1 0 。45 2 0- - , 0 4 5 t i 2 4 a 1 11 n b t 7 q “2 + d 3 69 7 01 0 31 2 8 0 t i 2 5 a 1 1 0 n b i 7 m “2 + b - 9 5 0410 t i 一4 3 a 1 t 3 3 l 7 + c t 2 5 - 2 7 50 5 t i 3 5 8 a 1 ( w t ) 旧”什“2 51 0 2 5 8 3 1 0 4 2 5 00 4 3 t i 3 5 ，8 a l ( w t ) 1 ”1y + 毗 0 。48 5 03 3x 1 0 4 2 6 00 - 4 7 一 t i 一4 8 a 1 2 c r 2 n b t l o w 7 + a 2 0 38 0 0 8 , 3 1 0 4 3 5 5 o 51 9 4 t i 一4 7 a 1 2 n b 1 6 c r 一0 5 s i 什0 2 2 01 2 8 08 1 0 。54 7 0053 9 5 o 4 m n 【4 5 】 t i 一4 7 a 1 3 c r t 3 u j + 1 3 1 31 2 0 05 4 1 0 4 4 5 0 0 5 7 一 t 1 _ 4 3 a 1 13 v t 9 】 7 + 1 3 61 1 0 01 1 0 46 0 0o 8 t i 3 9 a 1 9 v i 叫 丫+ d - 1 1 5 0 一 6 0 0 t i 4 8 a 1 t 6 0 j y + t i 2 a i c 0 8 51 0 5 0 5 6 1 0 。3 5 5 00 53 5 0 4 上海交通人学 博士学位论文 绪论 t i a i - n b c r t 4 4 1 y + a 2 2 01 2 8 02 1 0 44 7 5o 53 8 9 t i 4 5 5 a 1 2 n b 2 c r t 4 3 j y + “2 41 2 8 0 1 1 0 。 9 8 0 t i 4 6 a 1 1 4 “ y + a 2 0 2 - 1 59 0 06 4 1 0 46 9 5o 5 t i 3 3 a 1 3 c r 0 5 m o ( w 慌) 【8 4 】v + 揣慧1 ：s ， 0 92 5 0 t i 3 3 a 1 3 c r ( w t ) 【8 5 】舳 ! 黑1 0 5 _ 1 0 3 s ，o 7 由n i s i 相图可以看出，富n i 的n i 3 s i 合金存在实现类共析组织的可能性。典型的 双相n i 3 s i 合金通常由两类晶粒组成，其一是有序的l 1 2p 相，另一则是在仪n i 固溶体 基体上分布着无序的1 3 颗粒( 0 【邙) ，如n i 一9 s i 一3 1 v 2 m o ( w t ) 。与单相合金相比，双相 合金的超塑变形能力要优越的多。t g n i e h 1 4 1 等人的研究表明，n i 一9 s i 一3 1 v 2 m o 合金 在1 2 7 3 1 3 7 3k 、6 1 0 4 1s o 的测试范围内显示超塑性，延伸率普遍可达2 0 0 以上， 1 3 5 3k 、8 1 0 - 3s 。1 时，断裂延伸率高达7 1 0 。值得注意的是，尽管双相和单相n i 3 s i 合金存在超塑性的温度范围都相当有限，但双相合金的应变速率范围要宽广的多。与单 相合金相比，双相合金的延伸率对应变速率不太敏感，1 3 5 3k 下，应变速率由1 0 。s 。1 跳到1s ，延伸率仅由6 5 0 降至3 0 0 。此外1s 。1 的应变速率也非常的高，业已处在 在常规热加工的能力范围内。这一点对n i 3 s i 合金的工业生产极为有利。双相合金的超 塑性变形温度较单相的要高，对此并无明确的解释，可能与两种材料的晶粒度有关。双 相合金的晶粒尺寸一般大于1 0l a m ，与单相合金存在明显差异，同时也大于细晶超塑性 的i 临界尺寸，这很可能是因为合金中存在较软的第二相所致。至于双相合金晶粒大小对 超塑性的影响则未见研究。 双相n i ，s i 合金( n i 9 s i 3 1 v 2 m o ) 的应变速率敏感因子m 随应变速率降低和温 度升高而增大。应变速率较高时( 4 1 0 。s 。) ，m 约为o 5 ，与细晶超塑性的典型值相 当。低应变速率时，一，值趋于l ，符合对近牛顿蠕变行为的描述。通常m = 1 与扩散类 型的机制例如c o b l e 或n a b a r r o h e r r i g 蠕变相联系，这似乎表明晶界滑移不是低应变速 率下主要的变形机制。t g n i e h “1 等人认为这可能与超塑变形温度在0 9 以上有关。 对此需要指出，s l s t o n e r i ”j 等对n i 9 s i 3 1 v 4 m o 的研究并未发现类似的现象，尽管 组织和应变温度范围都基本一致。与n i 9 s i 3 1 v 一2 m o 合金m 随应变速率单调变化明显 不同，n i 9 s i 一3 ，1 v 一4 m o 合金的m 值在应变速率区间( 1 0 4 1 0 3s 1 ) 内出现极大值( 约 为o 5 0 6 ) 。对此只能归因于成分的差异。胁= 0 5 的区域，t g n i e h 等人测定的激 活能约为5 5 5 k j m o l ，与s l s t o n e r 等人的5 2 6k j m o l 相当。因缺乏n i 3 s i 合会中的扩 散激活能数据，无法将之与特定的变形机制相联系。唯一可确定的是该值远高于相近合 金中的扩散激活能，如n i 基高温合金m a 7 5 4 的2 5 6k j t o o l 以及某些合r 的n i 基合金 上海交通大学 博士学位论文 中的3 5 0k j m o l 。具体的速率控制过程尚有待查明。 n i a a i n i a l 系金属间化合物主要研究的有n i 3 a 1 、n i a i ，其中n i a l 容易用常规手段成形， 超塑性研究主要针对n i 3 a l 合金进行。 msk i m 和s h a n a d a d 6 1 等人测试了单相含硼( 0 2 4a t ) 的n i 3 a l 合金的超塑性能。 该材料具有超细晶粒( 1 6 “m ) 。7 0 0 。c 、应变速率低于1 0 。4s 。1 时有1 6 0 的最大延伸率。 超塑性变形机制为通过动态再结晶 1 6 , 6 1 】协调的晶界滑动，这与单相超细晶组织的不稳定 性有关。需要指出，该研究在7 0 0 0 c 进行，处于超塑性变形温度o 5 0 8l 。的低限( 0 5 8 。一般而言，晶粒越细，超塑性变形温度越移向低端。 1 7 1 与n i 3 s i 相似，双相n i 3 a 1 合金的超塑性要好得多。研究表明【1 8 , 1 9 1 ，铸造法和粉末 冶金方法制备的n i 3 a l 合金均可实现超塑性。以一种典型的粉末冶金合金 i c 一2 1 8 ( n i 一1 8 a i 一8 c r 一1 z r 一0 1 5 b ，a t ) 为例，该合金为双相组织，在有序的y 基体上存在 无序的y 相( 1 0 1 5 ) ，晶粒度约为6p m ，超塑性存在范围为9 5 0 0 c 1 1 0 0 。c 、1 0 一1 0 。 s 。，1 1 0 0 0 c 、8 3 1 0 4s 。时有6 4 0 的最大延伸率。n i 3 a 1 合金的应力一应变曲线也可 按应变速率敏感因子m 分为几个应变速率区间。在高应变速率区间( 7 1 0 。2s 。1 ) ，m 约 等于o 3 2 ；应变速率范围为( 7 1 0 2 4 1 0 。4s 。) 时，增大至0 7 5 ：应变速率继续减小， n 则进一步增大( 趋于1 ) 。与n i 3 s i 相比，n i 3 a 1 存在更宽的应变速率区间，且在相近的 区间有更大的值。这种差异可能来源于两者晶粒度的不同( n i 3 a i6 a m ；n i 3 s i1 5p m ) 。 对m 值为0 7 5 和0 3 2 的应变区间，分别测得相应的激活能