轻质Ti基非晶复合材料β枝晶相细观结构增韧机理

新型轻质Ti基非晶复合材料，由于其优异的综合力学性能及潜在的应用前景,已成为国内外研究热点。本项目针对新型β相增韧的Ti基非晶复合材料强韧化设计中所存在的问题，对复合材料中β相与非晶基体之间细观力学行为进行深入的研究。通过定向凝固技术精确控制析出β枝晶相的细观尺度，研究β相的形成规律及其细观结构尺度参量(枝晶尖端曲率半径、枝晶臂间距等)与表征复合材料力学性能的尺度参量(剪切带宽度、剪切带间距等)之间的关联性，揭示β枝晶相与非晶基体细观交互作用本质, 进而明晰剪切带萌生机制，揭示复合材料形变机理和断裂机制。最终得到β-Ti枝晶相对复合材料增强增韧的作用机理, 获得更高性能的Ti基非晶复合材料,为设计高性能Ti基非晶复合材料提供理论参考及依据。

非晶合金结构独特的使其具备诸多传统晶态合金无法比拟的物理与力学优点，从而成为近年材料界研究的热点。但是非晶合金的主要缺点即剪切带高度局域化使其无室温塑性，常发生突然失效的灾难性断裂。内生晶体增韧的非晶复合材料是在非晶基体上通过控制成分和冷却速率原位生成韧性晶体相，从而使得到材料室温下不仅具有非晶合金高强度、高硬度等，同时具有晶体的塑性，具有广泛的应用前景。本文主要研究枝晶增韧Ti基非晶复合材料力学性能与变形机制：.1..通过一定的合金成分设计与探索，用Bridgman定向凝固工艺石墨体加热方式在合金Ti-Zr-Be-V-Cu体系中制备出晶体相分布均匀、体积分数和晶体相尺寸可调的两相复合材料。室温准静态压缩结果表明：该材料枝晶体积分数、枝晶相尺寸对其力学性能有重要作用。速率为1.6 mm/s 的Ti基非晶复合材料具有最佳的力学性能断裂强度为3000 MPa，断裂应变为31.5 %；透射电镜分析压缩后的断口表明晶体相中产生大量位错；界面处通过非晶体的局部有序化实现剪切带形核。.2..室温下Ti基非晶复合材料单向拉伸屈服强度、断裂强度与断裂总应变分别为1380 MPa，1516 MPa，4.3 %；晶体相在压缩与拉伸变形时经历不同的塑性（点阵参数不同）变形导致拉伸与压缩表现出不一致力学性能；通过原位TEM拉伸试验来研究了剪切带形成、演化扩展、与裂纹扩展行为，结果表明裂纹尖端产生塑性变形区和剪切转换区，试样断裂前塑性变形区和剪切转换区是裂纹扩展的主要方式。.3..动态力学结果表明：在准静态加载条件下，复合材料TZ1 （枝晶相细小，8 μm）和TZ2（枝晶相粗大，32 μm）均具有高强度（超过1680 MPa）和高塑性（约15 %）。但动态加载下，TZ1合金发生脆性断裂；TZ2合金的强度与塑性（10 %）均降低。机理研究表明：准静态与动态条件下的温度上升可达到103 K；在动态条件下，细小的枝晶相不能有效限制剪切带的扩展，TZ2合金的动态塑性主要与其枝晶相的尺寸有关。