Acta metall, mater. Vol. 40, No. 2, pp. 353-361, 1992 0956-7151/92 $5.00 + 0.00 Printed in Great Britain. All fights reserved Copyright © 1992 Pergamon Press plc ON THE CONTRASTING ROLE OF DUCTILE-PHASE REINFORCEMENTS IN THE FRACTURE TOUGHNESS AND FATIGUE-CRACK PROPAGATION BEHAVIOR OF TiNb/y-TiA1 INTERMETALLIC MATRIX COMPOSITES K. T. VENKATESWARA RAO 1, G. R. ODETTE 2 and R. O. RITCHIE I tDepartment of Materials Science and Mineral Engineering, University of California at Berkeley, Berkeley, CA 94720 and 2Materials Department, College of Engineering, University of California at Santa Barbara, Santa Barbara, CA 93106, U.S.A. (Received 12 November 1990; in revised form 16 May 1991) Abstract--A comparative study has been made on the role of ductile-phase toughening under monotonic and cyclic loading at room temperature, specifically involving the fracture toughness and fatigue-crack propagation behavior of a ),-TiA1 intermetallic alloy reinforced with 10 vol.% of ~50/zm-sized ductile TiNb particles. Under monotonic loading, substantial toughening is achieved in the composite primarily from crack bridging by uncracked TiNb particles in the wake of the crack tip; additional contributions are provided by shielding from crack-particle interactions. Compared to a Kl¢ value of ~8 MPav/m for monolithic y-TiA1, the composite shows significant resistance-curve behavior with a steady-state fracture toughness exceeding 25-30 MPax/m; in this regime, measured bridging zones approach ~4 mm in length. In contrast, under cyclic loading, such ductile-particle toughening is found to be far less effective, due to the susceptibility of the ductile metallic phase to fatigue failure. No evidence of crack bridging by TiNb particles is observed to within ~ 150/am of the crack tip, and fatigue-crack propagation is observed at a stress intensity as low as 6 MPax/m, far below that required to initiate cracking under monotonic loading. R6sum6---Une &ude comparative a 6t6 men6e sur le r61e du durcissement par une phase ductile sous charges monotone et cyclique fi la temp6rature ambiante, en consid6rant plus particuli6rement la r6sistance /t la rupture et le mode de propagation des fissures de fatigue d'un alliage interm6tallique TiA1-7 renforc6 par 10% en volume de particules de TiNb ductile, de dimensions voisines de 50 p.m. Sous charge monotone, on observe un accroissement substantiel de la r6sistance du composite, principalement dfi l'enjambement des fissures par des particules de TiNb non fissur6es dans le sillage de l'extr6mit6 de la fissure; r6crantage provoqu6 par les interactions fissure-particule augmente 6galement la r6sistance du composite. Par rapport ~i une valeur de Kit voisine de 8 MPax/m pour du TiAl-~, monolithique, le composite pr6sente une courbe de r6sistance importante, avec une r6sistance fi la rupture en r6gime permanent sup6rieure ~ 25-30 MPax/m; duns ce r6gime, les zones d'enjambement mesur6es ont une longueur voisine de 4 mm. Au contraire, sous charge cyclique, ce durcissement par une phase ductile est bien moins effic, ace ~ cause de la susceptibilit6 de la phase m6tallique ductile ~. la rupture en fatigue. On n'a pu mettre en 6vidence aucun enjambement de fissures par des particules de TiNb, jusqu'~i environ 150#m de l'extr6mit6 de la fissure, et ron a observ6 la propagation des fissures de fatigue pour des contraintes aussi faibles que 6 MPax/m, valeur bien inf6rieure fi la contrainte n6cessaire pour initier la fissuration sous charge monotone. Zusmnmeaf~ng--Die Z~higkeitserh6hung durch eine duktile Phase wird vergleichend unter monotoner und zyklischer Belastung bei Raumtemperatur untersucht; insbesondere wird betrachtet die Bruchz~- higkeit und das Ausbreitungsverhalten der Ermfidungsrisse einer /a-TiA1-Legierung, verst/irkt mit 10 Volum-% yon etwa 50/~m groBen duktilen TiNb-Teilchen. Unter monotoner Belastung ergibt sich eine substantielle Verbesserung der Z/ihigkeit im wesentlichen dutch Oberbrfickung der Risse durch ungeris- sene TiNb-Teilchen hinter tier vorw/irtslaufenden RiBspitze. Weitere Beitr/ige ergeben sich aus der Absehirmung der RiB-Teilchen-Wechselwirkung. Im Vergleich zu dem Kit-Weft von ~8 MP~/m des monolithischen y-TiA1 weist das Verbundmaterial ein betr/ichtliches Widerstandskurven-Verhalten mit einer station/ire Bruchz/ihigkeit fiber 25-30 MPaw/m auf; in diesem Bereich erreiehen gemessene Ober- briickungszonen eine LCingevon bis zu ~ 4 mm auf. Dagegen fiihren die duktilen Teilchen unter zyklischer Belastung einer weit weniger wirksamen Z/ihigkeitsverbesserung; Grund ist die Neigung der duktilen metailischen Phase zum Ermfidungsbruch. Hinweise auf die RiBiiberbrfickung dutch TiNb-Teilchen werden innerhalb von~ 150#m von der RiBspitze nicht gefunden; ErmfidungsriB-Ausbreitung findet schon bei 6 MPav/m statt, also weit unterhalb der Bedingung f/it RiBbildung unter monotoner Belastung. 1. INTRODUCTION Structural alloys based on the ordered intermetallic compounds TiA1, Ti3A1, Ni3A1, NiA1 and MoSi 2 have recently become potential candidate materials for several advanced high-temperature aerospace applications, primarily because of their high specific strength and stiffness which is retained at elevated 353