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温度对TiZrHf系高熵合金冲击特性和点火行为的影响

温度对TiZrHf系高熵合金冲击特性和点火行为的影响

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作者：陈俊林沈阳理工大学

学位级别：硕士

以一种或两种元素为主、添加其他特定元素改善性能的传统合金设计理念已无法满足各领域对更高性能材料的迫切需求。面对现代材料科学领域对高性能材料需求的重大挑战,2004年,高熵合金的设计理念被提出,其独特的合金设计理念具有多种合... 详细信息

以一种或两种元素为主、添加其他特定元素改善性能的传统合金设计理念已无法满足各领域对更高性能材料的迫切需求。面对现代材料科学领域对高性能材料需求的重大挑战,2004年,高熵合金的设计理念被提出,其独特的合金设计理念具有多种合金元素的集群效应,以其表现出的高强度、高密度、高硬度、良好塑性、耐磨损和耐腐蚀等优异性能,在航空航天、船舶、核能、军工及电子等领域受到广泛关注。尤其,由难熔金属元素组成的体心立方(BCC)结构的难熔高熵合金(RHEAs),在极端环境中表现出良好的机械性能。然而,针对低温和宽应变率范围动态加载下高熵合金的力学性能与点火行为尚较为缺乏,有必要开展系统的准静态、动态力学性能实验,进而揭示高熵合金的低温动态力学性能与冲击点火行为的关联规律。本课题以TiZrHf系高熵合金为研究对象,采用真空电弧熔炼法制备TiZrHf Cu、TiZrHf Ni和TiZrHf Al合金铸锭,系统研究不同温度(-40～20℃)下TiZrHf系高熵合金的动力学性能与冲击点火行为。结合SEM、XRD和EDS对原始试件进行微观表征;分别利用万能试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统开展高熵合金的准静态/动态压缩实验,分析温度、微量元素种类和应变率对高熵合金动态压缩力学性能的影响规律,并结合扫描电子显微镜(SEM)对动态压缩后的试件进行表征,分析不同温度下高熵合金的变形机制;基于自行搭建的冲击点火实验平台,分析微量元素变化和温度对点火行为的影响,通过理论分析和数值模拟相结合的方法,分析TiZrHf系高熵合金的冲击点火反应机理。本文的主要工作及取得的研究成果如下:(1)提出了高熵合金主元与微量元素的选择依据,通过混合焓、混合熵与原子适配度确定了TiZrHf系高熵合金的相结构,测试了试件的相结构和微观组织形貌和;常温20℃下TiZrHf Cu、TiZrHf Ni和TiZrHf Al的极限强度几乎相同,TiZrHf Cu和TiZrHf Ni试件的弹性模量与极限强度随着温度的降低均明显增强,而TiZrHf Al在低温下韧性有所提高;在低温条件下高熵合金的变形机制表现出韧性和脆性双重断裂模式。(2)基于准静态与动态压缩实验数据,拟合得到在不同温度(-40～20℃)和不同应变率(300～2600s)下的TiZrHf系高熵合金的Johnson-Cook本构模型的参数(应变硬化项系数、应变率硬化系数和温度项系数);通过拟合方程预测结果与实验结果对比分析,发现在低应变率下原始Johnson-Cook本构模型能准确反映合金的力学行为,随着温度的降低和应变率的提高,需要考虑应变、应变率和温度的耦合效应对本构模型的影响。(3)在原始Johnson-Cook本构模型的基础上,考虑应变、应变率和温度的耦合效应,并通过ABAQUS仿真软件建立了动态压缩的有限元模型,对比不同应变率和温度的数值模拟与实验结果。在2400～2600s的应变率范围和-40℃～0℃温度范围内通过对修正后的本构模型拟合的得到的预测结果与实验结果匹配程度较好,能准确反映在高应变率和低温下TiZrHf系高熵合金的动态力学性能。(4)通过自行搭建的点火行为实验系统,研究了TiZrHf系高熵合金在低温条件下的点火行为。结果表明,随着温度的降低,TiZrHf Ni的点火阈值逐渐下降,反应持续时间更长且反应更剧烈,点火行为表现出明显的应变率依赖性;相同温度(-40℃)和应变率下,TiZrHf Ni、TiZrHf Cu、TiZrHf Al的点火酝酿时间分别为100μs、125μs和175μs,点火持续时间和剧烈程度从高到低分别为TiZrHf Cu、TiZrHf Ni和TiZrHf Al。材料的力学性能直接影响其冲击点火行为,当总应变能累积超过裂纹成核的表面能出现裂纹,裂纹尖端的能量积聚促进热点产生进而诱发点火,低温条件下试件的韧脆转变使裂纹尖端更易产生热点并诱发强冲击点火反应。

关键词： TiZrHf系高熵合金本构模型低温环境动态压缩力学性能冲击点火行为

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