發(fā)布時間：2020-07-19 12:02

【摘要】：疊層復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)域極具應用前景的一類復合材料。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兩類疊層復合材料,并系統(tǒng)研究了兩類疊層復合材料的形成過程、微結(jié)構(gòu)演變及其在不同加載條件下的力學響應。主要研究成果如下:在熱壓燒結(jié)過程前期,通過擴散反應,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。當原始反應層Ti/Ni原子比在1~2時,Ni、Ni_3Ti和Ti擴散反應過程中逐漸消失,最終生成Ti_2Ni/TiNi疊層復合材料;當原始反應層Ti/Ni原子比在0.33~1時,Ti、Ti_2Ni和Ni在擴散反應過程中逐漸消失,最終形成Ni_3Ti/TiNi疊層復合材料。制備Ti_2Ni/TiNi疊層復合材料過程中,Ni_3Ti未完全消耗之前,或制備Ni_3Ti/TiNi疊層復合材料過程中,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疊層復合材料中TiNi層中僅有Ti_2Ni析出物;Ni_3Ti/TiNi疊層復合材料中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疊層復合材料過程中,形成的一系列過渡型疊層復合材料的力學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,提高了疊層復合材料的拉伸性能。通過調(diào)整原始反應層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兩類疊層復合材料。Ti_2Ni/TiNi疊層復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,導致Ni_3Ti/TiNi疊層復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疊層復合材料的斷裂韌性較高。而與之不同,Ni_3Ti/TiNi疊層復合材料具有較高斷裂韌性的原因是:Ni_3Ti層內(nèi)分層導致的主裂紋偏轉(zhuǎn)以及TiNi層較高的強度和塑性。
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TB33;TJ04

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本文編號：2762394