發(fā)布時間：2020-07-19 12:02

【摘要】：疊層復(fù)合材料是人們在研究貝殼珍珠層微結(jié)構(gòu)和強韌化機理的基礎(chǔ)上而提出的一種新型復(fù)合材料。其中,金屬間化合物與韌性金屬或合金交替排列的疊層復(fù)合材料既具備金屬間化合物的高硬度、高剛度的特點又具有韌性相高韌、高塑性的優(yōu)點,被認為是在裝甲防護領(lǐng)域極具應(yīng)用前景的一類復(fù)合材料。為滿足新一代裝甲防護材料的需求,本文首次在Ti-Ni系中以純Ti箔和Ni箔為原始反應(yīng)材料,采用熱壓燒結(jié)技術(shù)來制備以TiNi為增強、增韌相的Ti_2Ni/TiNi和Ni_3Ti/TiNi兩類疊層復(fù)合材料,并系統(tǒng)研究了兩類疊層復(fù)合材料的形成過程、微結(jié)構(gòu)演變及其在不同加載條件下的力學(xué)響應(yīng)。主要研究成果如下:在熱壓燒結(jié)過程前期,通過擴散反應(yīng),Ni_3Ti和Ti_2Ni兩種金屬間化合物優(yōu)先在Ti/Ni界面處形核、長大。隨后,TiNi在Ni_3Ti/Ti_2Ni界面處形核,并通過消耗Ni_3Ti和Ti_2Ni兩相而生長。在Ti箔和Ni箔未完全消耗時,三種金屬間化合物的厚度均呈拋物線增長模式。當(dāng)原始反應(yīng)層Ti/Ni原子比在1~2時,Ni、Ni_3Ti和Ti擴散反應(yīng)過程中逐漸消失,最終生成Ti_2Ni/TiNi疊層復(fù)合材料;當(dāng)原始反應(yīng)層Ti/Ni原子比在0.33~1時,Ti、Ti_2Ni和Ni在擴散反應(yīng)過程中逐漸消失,最終形成Ni_3Ti/TiNi疊層復(fù)合材料。制備Ti_2Ni/TiNi疊層復(fù)合材料過程中,Ni_3Ti未完全消耗之前,或制備Ni_3Ti/TiNi疊層復(fù)合材料過程中,Ti_2Ni未完全消耗之前,形成的各種過渡型疊層復(fù)合材料中TiNi層均存在B2和B19’兩種晶體結(jié)構(gòu)。而在最終制備的Ti_2Ni/TiNi和Ni_3Ti/TiNi疊層復(fù)合材料中,TiNi層分別為單一的B19’和B2晶體結(jié)構(gòu)。Ti_2Ni及Ni_3Ti在制備過程中晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。Ti_2Ni/TiNi疊層復(fù)合材料中TiNi層中僅有Ti_2Ni析出物;Ni_3Ti/TiNi疊層復(fù)合材料中TiNi層中析出物主要為具有不同形貌的Ni_4Ti_3,同時也存在少量的Ni_3Ti和Ti_2Ni。疊層復(fù)合材料的相變行為與疊層中TiNi的晶體結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部的析出物類型密切相關(guān)。在制備Ti_2Ni/TiNi和Ni_3Ti/TiNi疊層復(fù)合材料過程中,形成的一系列過渡型疊層復(fù)合材料的力學(xué)性能和斷裂機制與疊層中各相的類型、厚度、強度和塑性有很大關(guān)系。在拉伸時,疊層中韌性相能有效抑制脆性相裂紋的快速擴展,脆性相通過產(chǎn)生橫向裂紋、傾斜裂紋及分層等方式與韌性相協(xié)調(diào)變形,提高了疊層復(fù)合材料的拉伸性能。通過調(diào)整原始反應(yīng)層Ti箔和Ni箔的厚度,可以制備出不同TiNi含量的Ti_2Ni/TiNi和Ni_3Ti/TiNi兩類疊層復(fù)合材料。Ti_2Ni/TiNi疊層復(fù)合材料在垂直和平行于疊層方向上的壓縮強度和塑性均隨TiNi含量的增加而提高,且均表現(xiàn)出優(yōu)異的壓縮性能。在垂直于疊層方向壓縮時,剪切變形是其主要斷裂機制;在平行于疊層方向壓縮時,其失效機制為TiNi局域剪切及Ti_2Ni層內(nèi)分裂。Ni_3Ti/TiNi疊層復(fù)合材料垂直于疊層方向的壓縮性能明顯優(yōu)于平行于疊層方向的壓縮性能。在平行于疊層方向壓縮時,Ni_3Ti層內(nèi)較低的結(jié)合強度使Ni_3Ti極易發(fā)生層內(nèi)分離,導(dǎo)致Ni_3Ti/TiNi疊層復(fù)合材料在此方向較差的壓縮性能。在AO方向(Arrester Orientation),Ti_2Ni/TiNi和Ni_3Ti/TiNi兩類疊層復(fù)合材料的增韌機理不同,但均顯示出較高的斷裂韌性。TiNi層對裂紋的偏轉(zhuǎn)及“橋聯(lián)”使得Ti_2Ni/TiNi疊層復(fù)合材料的斷裂韌性較高。而與之不同,Ni_3Ti/TiNi疊層復(fù)合材料具有較高斷裂韌性的原因是:Ni_3Ti層內(nèi)分層導(dǎo)致的主裂紋偏轉(zhuǎn)以及TiNi層較高的強度和塑性。
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TB33;TJ04

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本文編號：2762394