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变形亚结构对钛合金延性的影响

   2014-08-26 IP属地 陕西5140
   金属间化台物中的化学键由金属键和共价键组成。金属键是对称的,它主要决定材料的体积弹性模量;共价键具有方向性、它主要决定材料的剪切弹性模量。共价键的方向性增加,将导致材料的剪切强度升高。从宏观力学行为来看,若材料的剪切强度高于解理应力、则材料在屈服前便会发生脆性解理断裂。从微观上来看,共价键的停在将导致晶体中Peierls应力波变得不对称,在共价键特性较强的原子间形成较深的势谷,从而使得一些沿特定方向排列的位错受到Peierls应力深谷的限制,自由滑移距离缩短,可动性降低,致使合金难干塑性变形。元素的负电性(Xn)代表着元素结合和给出电子的难易程度,根据Mulliken的定义,它等于原子的第一电离势I与电子亲和能E的平均值,即:Xn=1/2(I+E)。因此,元素负电性有较大值时,该元素易于结合电子;反之,负电性有较小值时,该元素易于给出电子。
  铝相为L10型面心四方结构,这种结构中、Ti原子和Al原子在(002)面上分层排列。从而使钛原子周同最近邻Ti-Ti原子配位数减少到4、由于Ti原子的负电性大于Al原子,势必在沿(110)方向的Ti-Ti原子间吸引更多的电子,使(101)方向Ti-Al原子间的电荷密度相对减少,从而造成了电荷密度分布的不对称性。这样,在只包含Ti原子的原子面上,在(110)方向的Ti-Ti原子间趋向形成共价键,从而导致钛铝晶体中Peierls应力波变得不对称、在共价特性较强的Ti-Ti键间形成较深的势谷。这样使得轴向垂直于只含Ti原子的原子面的位错有可能掉入Peierls应力深谷而可动性差。由于轴向为(001)的位错线不在钛铝的滑称面(111)上,可以不必进行讨论。因此,在变形量较小的Ti—36Al合金中,位错主要沿(110)和(112)方向排列,从而形成矩形位错网络。在另一部分晶粒中,超位错首先开动,当超位错的一段正好滑到与(110)平行的方向时,这段超位错就由于处于Peierls应力深谷而被固定,位错的其它部分继续运动便会产生超位错偶。这时超位错偶若发生分解反应,便会形成以1/6(112)型不全位错为边界的层错偶极子。由于超位错受到这种层错偶极子的拖拽,不能自由滑移,使钛铝的滑移系减少。可见,钛铝中各类位错都会不同程度地受到Peierls应力深谷的影响,其可动性降低,这可能是钛铝本质脆性的重要原因。在富钛合金中的多余的钛原子以及在TiAl+Mn、TiAl+Cr和TiAl+V、TiAl+Ga三元合金中的添加元素Mn、Cr、V、Ca均主要占据在Al的亚点阵中。由于Ti、Mn、Cr和V的负电性大于Al原子,而且主要占据在Al的亚点阵中,可以从(110)方向的Ti-Ti原子间吸引部分电子到(101)方向的Ti—M(M=Ti、Mn、Cr、V)原子间来,从而提高了Ti原子周围电荷密度分布的对称性,使Peierls应力波趋于对称和平缓。因此,添加Ti、Mn、Cr和V可以消除由于受Peierls应力作用而形成的位错网络和层错偶极子等固定位错结构,使位错的可动性增加。位错可动性增加,不仅对钛铝的塑性变形作出直接贡献,更重要的是促进在钛铝中产生大量的棱位错孪生源;另一方面,添加Ti、Mn、Cr和V还可以降低钛铝相的层错能,这有利于孪生位错的扫动,从而使钛铝相中孪生变形得到加强,合金的延性得到改善。由于Ga原子的负电性小于Al原子,它占据在Al原子的亚点阵中,进一步增加了钛铝相中电荷分布的不对称性,从而使合金的脆性增加。
  综上所述,在钛合金中,添加主要占据铝原子亚点阵且其负电性大于铝原子的合金元素,将有利于改善钛铝的室温延性。
 
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