层状金属复合材料中异质结构的形成及其对变形行为的影响

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1、博士学位论文层状金属复合材料中异质结构的形成及其对变形行为的影响THEFORMATIONANDEFFECTSONDEFORMATIONBEHAVIOROFHETEROGENEOUSSTRUCTURESINLAMINATEDMETALCOMPOSITES杜岩哈尔滨工业大学2017年12月国内图书分类号：TB331学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学博士学位论文层状金属复合材料中异质结构的形成及其对变形行为的影响博士研究生：杜岩导师：耿林教授申请学位：工学博士学科：材料学所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2017年12月授予学位单位

2、：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TB331U.D.C:621DissertationfortheDoctoralDegreeofEngineeringTHEFORMATIONANDEFFECTSONDEFORMATIONBEHAVIOROFHETEROGENEOUSSTRUCTURESINLAMINATEDMETALCOMPOSITESCandidate：YanDuSupervisor：Prof.LinGengAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：Materials

3、ScienceAffiliation：SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofDefence：December,2017Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要层状金属复合材料凭借良好的综合力学性能在能源日益短缺的当下受到国内外材料学家的广泛关注。目前国内外针对于包括层状金属复合材料在内的构型化材料的研究仍大量集中于宏观力学性能以及基于力学模型的模拟与变形行为分析，而较少研究材料自身异质结构对材料力学性能及变形行为的影响。本

4、文旨在以层状NiAl、层状Ti-Al复合材料为模型，通过研究异质结构对层状金属复合材料退火及变形行为的影响，可以更好地从材料学的角度理解层状金属复合材料的强韧化，对其制备与热处理起到指导性作用。针对层状NiAl体系，通过1200˚C原位反应退火进行合成，所制得层状NiAl具有晶粒尺寸差异与化学成分梯度这种异质性，随着退火时间延长，异质性减弱。借助电子显微学研究了层状NiAl中的取向遗传性，发现固态扩散形成NiAl层与母相Ni通过Ni3Al界面层传递存在K-S取向关系。此外，这层NiAl缺陷密度较高，且由于异质性作用包括界面相之间原子间距错配度以及弹性模

5、量和热膨胀系数存在不同，力/热残余应力都会诱导界面处位错的形成。通过对室温、高温下力学性能以及形变微结构的分析，研究了异质结构对层状NiAl力学及变形行为的影响，发现异质结构会起到强韧化作用。借助电子显微学对层状NiAl的形变微结构进行定量分析，发现粗、细晶形变微结构存在差异，包括晶内亚结构的差异，晶内平均取向差的差异，晶内位错结构差异以及界面对形变微结构影响的差异。此外，通过模型化处理的方法模拟出层状NiAl裂纹长度较块体NiAl延长达20%。针对层状Ti-Al体系，通过500˚C热压加热轧的方法制备了具有不同结构参数的层状Ti-Al复合材料。借助电

6、子显微学研究了材料的组元及界面特征，发现其界面粗糙不平并伴有纳米级TiAl3界面层的形成。由于这种异质结构的存在，Al层与Ti层在300˚C、500˚C退火过程中的回复与再结晶存在界面择优，尤其是凸出、凹入区域，并随退火时间延长向层中心扩展。通过对不同退火条件下组元层进行硬度测试，发现与组织演变相对应的梯度软化行为。通过对层状Ti-Al复合材料进行力学性能以及形变微结构的分析，研究了异质结构对层状Ti-Al力学及变形行为的影响。通过与混合定律拟合结果对比，发现层状Ti-Al复合材料受异质结构影响，在弹塑性阶段产生额外强化，且强化作用随着Al层厚度减小而

7、增加。此外，形变Al层形成梯度组织，借助电子显微学定量表征与强度理论对材料强度进行拟合，确认了界面限制作用。通过-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文对层状Ti-Al复合材料变形过程中裂纹分布情况的分析，发现材料延伸率在特定Al层厚度存在最优解。通过与单层组元材料力学性能进行对比，发现Al层的亚结构强化作用远大于层厚的作用以及Ti层{10-11}<10-12>压缩孪生受抑制，局域应变缓解，延伸率提高。此外，与块体Al形变微结构的取向相关性不同，层状结构中Al层由于界面的限制作用，多滑移系开动促使Al中很难形成几何必需界面。关键词：层状金属复合材料；异质结

8、构；形变微结构；退火；电子显微学；强度理论-II-AbstractAbstractWithth