【摘 要】
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由γ-TiAl和α2-Ti3Al组成的双相片层结构的TiAl合金是一种轻质合金,具有高弹性模量、高比强度以及优异的高温性能,使其作为航空、航天及汽车领域中极具竞争力的新材料而得到广泛关注。目前对于TiAl合金的研究主要集中在γ-TiAl中,而对于双相TiAl合金的研究较少,因此本文基于分子动力学模拟方法,研究了片层厚度及相界对双相TiAl合金纳米压痕过程中塑性变形及力学性能的影响,从原子尺度讨论了
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由γ-TiAl和α2-Ti3Al组成的双相片层结构的TiAl合金是一种轻质合金,具有高弹性模量、高比强度以及优异的高温性能,使其作为航空、航天及汽车领域中极具竞争力的新材料而得到广泛关注。目前对于TiAl合金的研究主要集中在γ-TiAl中,而对于双相TiAl合金的研究较少,因此本文基于分子动力学模拟方法,研究了片层厚度及相界对双相TiAl合金纳米压痕过程中塑性变形及力学性能的影响,从原子尺度讨论了材料的变形机理,对不同相中的位错形核及演化过程进行了分析,从而加深对双相TiAl合金塑性变形过程的理解。主要研究内容如下:（1）研究片层厚度对双相TiAl合金变形机制和力学性能的影响。模拟不同片层厚度试样,压头分别作用在γ和α2相时的纳米压痕过程,得到在不同片层厚度下压头分别作用在γ和α2相的载荷-深度曲线与缺陷演化过程,计算硬度与弹性模量,分析了不同片层厚度试样在压痕过程中温度和势能的变化。研究结果表明:材料的硬度随片层厚度的减小而增大,符合Hall-Petch关系,当片层厚度减小至70?时,材料的硬度达到最大值,进一步减小片层厚度时,材料的硬度反而减小,呈现反Hall-Petch关系。材料的弹性模量也会随片层厚度的变化而改变。材料弹塑性转变时的临界载荷会随着片层厚度的减小而减小。在纳米压痕过程中,压头压入γ相时,变形行为以{111}面的层错为主;压头压入α2相时,变形行为以（0001）基面的堆垛层错为主,基面上位错的运动会导致材料表面产生相变,且棱柱面滑移被激活。系统的温度和势能随压痕深度的增加而增加,片层厚度越小变化越快。（2）研究压头平行于γ/α2相界进行压痕时,压头距相界不同位置对双相TiAl合金力学性能的影响。模拟了压头分别距相界40?、50?和60?时的纳米压痕过程,分析了γ和α2相不同距离下的缺陷演化和作用机理,通过载荷-深度曲线,计算得到了材料的硬度和弹性模量,研究了势能和温度的变化趋势,并分析了不同相界取向对材料变形机制及力学性能的影响。研究结果表明:压头与相界间的距离不会影响材料发生初始塑性变形时的临界载荷,α2相的临界载荷大于γ相,γ相更容易发生塑性变形。压头距离相界越近,材料的硬度越大,弹性模量也随之增大。在α2相的压痕过程中均有纳米晶粒的产生,并且能够阻碍位错的运动,距离为40?的试样在相界处产生了纳米晶粒。纳米压痕过程中压头距离相界越近,材料的力学性能越好,产生的温度越高,势能变化的速度越快。
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