金屬間化臺(tái)物中的化學(xué)鍵由金屬鍵和共價(jià)鍵組成。金屬鍵是對(duì)稱的,它主要決定材料的體積彈性模量;共價(jià)鍵具有方向性、它主要決定材料的剪切彈性模量。共價(jià)鍵的方向性增加,將導(dǎo)致材料的剪切強(qiáng)度升高。從宏觀力學(xué)行為來看,若材料的剪切強(qiáng)度高于解理應(yīng)力、則材料在屈服前便會(huì)發(fā)生脆性解理斷裂。從微觀上來看,共價(jià)鍵的停在將導(dǎo)致晶體中Peierls應(yīng)力波變得不對(duì)稱,在共價(jià)鍵特性較強(qiáng)的原子間形成較深的勢谷,從而使得一些沿特定方向排列的位錯(cuò)受到Peierls應(yīng)力深谷的限制,自由滑移距離縮短,可動(dòng)性降低,致使合金難干塑性變形。元素的負(fù)電性(Xn)代表著元素結(jié)合和給出電子的難易程度,根據(jù)Mulliken的定義,它等于原子的第一電離勢I與電子親和能E的平均值,即:Xn=1/2(I+E)。因此,元素負(fù)電性有較大值時(shí),該元素易于結(jié)合電子;反之,負(fù)電性有較小值時(shí),該元素易于給出電子。
鈦鋁相為L10型面心四方結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)中、Ti原子和Al原子在(002)面上分層排列。從而使鈦原子周同最近鄰Ti-Ti原子配位數(shù)減少到4、由于Ti原子的負(fù)電性大于Al原子,勢必在沿(110)方向的Ti-Ti原子間吸引更多的電子,使(101)方向Ti-Al原子間的電荷密度相對(duì)減少,從而造成了電荷密度分布的不對(duì)稱性。這樣,在只包含Ti原子的原子面上,在(110)方向的Ti-Ti原子間趨向形成共價(jià)鍵,從而導(dǎo)致鈦鋁晶體中Peierls應(yīng)力波變得不對(duì)稱、在共價(jià)特性較強(qiáng)的Ti-Ti鍵間形成較深的勢谷。這樣使得軸向垂直于只含Ti原子的原子面的位錯(cuò)有可能掉入Peierls應(yīng)力深谷而可動(dòng)性差。由于軸向?yàn)?001)的位錯(cuò)線不在鈦鋁的滑稱面(111)上,可以不必進(jìn)行討論。因此,在變形量較小的Ti—36Al合金中,位錯(cuò)主要沿(110)和(112)方向排列,從而形成矩形位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)。在另一部分晶粒中,超位錯(cuò)首先開動(dòng),當(dāng)超位錯(cuò)的一段正好滑到與(110)平行的方向時(shí),這段超位錯(cuò)就由于處于Peierls應(yīng)力深谷而被固定,位錯(cuò)的其它部分繼續(xù)運(yùn)動(dòng)便會(huì)產(chǎn)生超位錯(cuò)偶。這時(shí)超位錯(cuò)偶若發(fā)生分解反應(yīng),便會(huì)形成以1/6(112)型不全位錯(cuò)為邊界的層錯(cuò)偶極子。由于超位錯(cuò)受到這種層錯(cuò)偶極子的拖拽,不能自由滑移,使鈦鋁的滑移系減少。可見,鈦鋁中各類位錯(cuò)都會(huì)不同程度地受到Peierls應(yīng)力深谷的影響,其可動(dòng)性降低,這可能是鈦鋁本質(zhì)脆性的重要原因。在富
鈦合金中的多余的鈦原子以及在TiAl+Mn、TiAl+Cr和TiAl+V、TiAl+Ga三元合金中的添加元素Mn、Cr、V、Ca均主要占據(jù)在Al的亞點(diǎn)陣中。由于Ti、Mn、Cr和V的負(fù)電性大于Al原子,而且主要占據(jù)在Al的亞點(diǎn)陣中,可以從(110)方向的Ti-Ti原子間吸引部分電子到(101)方向的Ti—M(M=Ti、Mn、Cr、V)原子間來,從而提高了Ti原子周圍電荷密度分布的對(duì)稱性,使Peierls應(yīng)力波趨于對(duì)稱和平緩。因此,添加Ti、Mn、Cr和V可以消除由于受Peierls應(yīng)力作用而形成的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)和層錯(cuò)偶極子等固定位錯(cuò)結(jié)構(gòu),使位錯(cuò)的可動(dòng)性增加。位錯(cuò)可動(dòng)性增加,不僅對(duì)鈦鋁的塑性變形作出直接貢獻(xiàn),更重要的是促進(jìn)在鈦鋁中產(chǎn)生大量的棱位錯(cuò)孿生源;另一方面,添加Ti、Mn、Cr和V還可以降低鈦鋁相的層錯(cuò)能,這有利于孿生位錯(cuò)的掃動(dòng),從而使鈦鋁相中孿生變形得到加強(qiáng),合金的延性得到改善。由于Ga原子的負(fù)電性小于Al原子,它占據(jù)在Al原子的亞點(diǎn)陣中,進(jìn)一步增加了鈦鋁相中電荷分布的不對(duì)稱性,從而使合金的脆性增加。
綜上所述,在鈦合金中,添加主要占據(jù)鋁原子亞點(diǎn)陣且其負(fù)電性大于鋁原子的合金元素,將有利于改善鈦鋁的室溫延性。
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