热处理对原位自生7715D钛基复合材料力学性能的影响(2)
在以往研究中发现，TiC 颗粒增强容易引起脆性，这可能是由于碳元素引起的α相增多且晶粒较大所致。值得注意的是，TMC1 强度增加的同时也获得了良好的塑性。根据W.A.Curtin 等建立的模型，C. J. Boehlert 等人研究发现，增强体中预先存在一定程度的瑕疵有利于TiB 短纤维增强钛基复合材料获得良好的塑性。利用Halpin-Tsai’s 公式，我们可以计算出TMC1 中的TiB 短纤维的弹性模量E约为380Gpa，该值远低于Gorsse andMiracle 等人的估算结果450Gpa。说明TMC1 的TiB 纤维中存在一定的瑕疵，而这刚好可以解释其具有非常好的塑性。另外，对比等轴组织与完全层片状组织发现，室温条件下等轴状TMCs 具有更高的拉伸强度。尽管如此，层片状TMCs 在塑性方面却并未表现出比等轴状组织差。
表2 不同热处理制度下基体合金和复合材料的室温拉伸性能
图3 为复合材料的高温性能，可见随着温度的升高，所有试样的抗拉强度均有所降低，断裂延伸率均有所升高。与基体合金相比，在600°C 和650°C 时TMCs 的高温强度明显提高，但700°C 时增强体增加效果不甚明显，这主要是由于大量稍短的TiB 纤维与基体脱粘所致。与TMC1相比，TMC2 的高温性能更优，这主要是由于TiC 弥散强化的效果以及具有良好高温性能的α相的增多。与室温情况不同，高温下层片状TMCs 比等轴状TMCs 抗拉性能要好。
图3 不同热处理制度下基体合金与复合材料的高温拉伸性能
3.3 断口形貌分析
图4与图5分别给出了复合材料室温和高温拉伸后试样的断口形貌。可以看出，室温条件下，TMC1 为韧性断裂，其断口有许多较浅的韧窝，而TMC2 为典型脆性断裂，其断口存在河流花样以及脆性解离面。与等轴组织较浅的韧窝相比，TMC1 的层片状组织的增强体附件韧窝相对较深且较细小，这主要是因为层片组织对源自增强体断裂的裂纹具有很好的阻碍作用。同样，从断口来看，层片组织的TMC2 较等轴组织的延性要略好，这些结果与力学性能是一致的。高温条件下，两种热处理下的TMCs 都表现出明显的延性断裂特征，并且温度越高韧窝越深。而由于层片组织不利于协调变形，因而塑性韧窝不易聚集长大，故表现出的相对细小的韧窝。
图4 不同组织的复合材料室温拉伸的扫描电镜断口形貌
图5 不同组织的复合材料高温拉伸的扫描电镜断口形貌
图6为复合材料高温拉伸后试样沿拉伸方向上的扫描电镜形貌。可以发现，TMC1中TiB晶须相对较为细长，在600°C 拉伸时，一根晶须可断裂为不止两个片段，说明在增强体在一次断裂后，剩余较长部分仍可继续受载，而TMC2 的TiB 晶须长径比较小，多数只承载一次。随着温度的升高，细长晶须也难以多次承载，700°C 时甚至出现了细长晶须也不再承载而直接脱粘的现象，如图6(e)。这可以由cox 提出的剪滞原理来解释, 即短纤维增强复合材料存在临界长径比，且临界长径比随温度升高而变大，只有当TiB 短纤维的实际长径比高于临界长径比时，短纤维才能承载，并最终断裂，否则将出现脱粘。图6(c)中的Z 字型裂纹扩展路线反映了层片状组织对源于增强体的微裂纹的阻碍作用，从而避免了复合材料的过早失效，高温强度明显提高。
图6 复合材料高温拉伸后试样沿拉伸方向上的扫描电镜形貌
3.4 组织状态对复合材料断裂机理的影响
比较不同热处理条件下的复合材料的室温和高温力学性能，我们看到完全层片状的7715D 钛基复合材料不仅高温下表现出优良的拉伸性能，而且在室温条件下并未表现出较差的塑性。加上层片状组织表现出的优良蠕变性能，因而就7715D 钛基复合材料而言，层片状组织具有较佳的综合性能。这主要由于复合材料的断裂机制略不同于基体合金，复合材料的最终失效虽是基体的裂纹扩展形成，但该基体中的裂纹却是源自增强体承载断裂后的微裂纹汇合扩展引起的增强体与基体的界面应力集中。层片状组织对微裂纹扩展具有很好的抑制作用，使的大量微裂纹被限制在局部区域而无法聚合长大，从而缓解了界面的应力集中。
尽管层片状组织基体较等轴状组织协调变形的能力较差，但复合材料由于增强体的存在引起的晶粒细化片层细小化使的层片状基体的变形能力有了一定改善，加上的前面所分析的对微裂纹的阻碍特点，使的层片状复合材料的塑性仍表现良好。高温条件下，层片状组织没有等轴组织流变能力强，此时，塑性完全由基体变形特点决定，同时，层片组织对一些断裂或脱粘的增强体附近的裂纹具有很好的抑制扩展的作用，因而高温下，表现出更高的强度，增强体的增强效果也得到更好发挥。
4. 结论
1) 硼元素和碳元素的添加提高了7715D合金的β相变点，同时作为α稳定性元素使的平衡态的α相体积分数增加。原位生成的TiB，TiC增强体使得合金的晶粒和层片簇得到细化，但碳元素的添加使的相同冷却速度下，层片组织的α片宽度变大。
2) 获得提高强度同时又不损失塑性的纤维增强钛基复合材料是可能的，具有一定程度瑕疵的TiB晶须反而可以有助于断裂塑性的改善。
3) 与等轴组织相比，层片状组织的7715D复合材料表现出了更为优良的综合性能，增强体的增强效果得到更好的发挥。
4) TiC颗粒在显著增强基体室温高温强度的同时，容易引起塑性的显著降低，这主要是由于碳元素对组织状态的影响，因而添加时需慎重考虑其添加量。
