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中南大學(xué)《MSEA》：新工藝！實現(xiàn)高強度和韌性Ti-6Al-4V板材

2022-10-19 13:55:56 作者：材料科學(xué)與工程來源：材料科學(xué)與工程分享至：

軋制鈦合金薄板比其他塑性變形的鈦合金具有更大的工業(yè)應(yīng)用潛力。與熱軋和冷軋相比，深冷軋制（CR）可以顯著細(xì)化晶粒并引入額外的位錯，通過抑制塑性變形過程中的動態(tài)恢復(fù)來加強材料。而EL隨著屈服后加工硬化而迅速下降。然而，很少有關(guān)于開發(fā)一些方法以提高鈦合金強度而不犧牲其塑性的報道。退火工藝可以增加軋制鈦合金的延展性，最近一些純鈦板的報道表明，冷軋結(jié)合后續(xù)退火可以有效地調(diào)整組織，獲得高強度和高塑性。然而，目前還沒有關(guān)于CR鈦合金在<0.5Tm(熔化溫度)下進(jìn)行短周期退火以獲得高強度和高韌性的報道。

來自中南大學(xué)的喻海良團(tuán)隊研究了Ti-6Al-4V板材深冷軋制及后續(xù)短周期真空退火過程中組織演變規(guī)律，建立組織與力學(xué)性能之間的關(guān)系。此外，從相分布和局部剪切帶的發(fā)展等方面討論了Ti-6Al-4V板材的塑性變形行為。相關(guān)論文以題“High strength and toughness of Ti–6Al–4V sheets via cryorolling and short-period annealing”發(fā)表在Materials Science & Engineering A。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.143766

圖1 EBSD得到Ti-6Al-4V樣品的反極圖、相分布和晶粒分布。

原始組織由等軸α晶粒和短棒β晶粒組成，CR后，晶界處分布著細(xì)長的β晶粒。隨著后續(xù)退火溫度的升高，晶粒逐漸長大，并表現(xiàn)出明顯的球化行為。隨著退火溫度的升高，HAGBs逐漸增加，LAGBs主要分布在晶粒中，LAGBs可以在一定程度上表征材料中的位錯水平。973 K退火后，位錯密度仍然很高，這是保持樣品高強度的關(guān)鍵。

圖2 室溫單軸拉伸試驗分析后的折線圖。

CR后試樣的UTS增加，而EL明顯降低；在隨后的退火過程中，UTS先升高后降低，而EL則相反。加工硬化速率可以看出，CR和CR-573 K試樣在塑性變形開始后，加工硬化速率迅速降低至0。隨著退火溫度上升到673 K以上，加工硬化速率逐漸增加。由于熱處理的保溫時間短，在973 K下退火的樣品硬度與CR樣品相似，表明保持良好的熱穩(wěn)定性。

圖3 Ti-6Al-4V試樣在拉伸斷口附近的縱向組織

CR樣品中，微孔主要沿剪切帶分布。在剪切帶中部可見微空洞延伸和裂紋擴(kuò)展，剪切帶也相互交錯，導(dǎo)致斷裂的鋸齒狀形貌。當(dāng)退火溫度低于773 K時，剪切帶不穩(wěn)定導(dǎo)致微孔快速成核和膨脹，降低了試樣的塑性。當(dāng)退火溫度達(dá)到973 K時，基體中剪切帶結(jié)構(gòu)的分布被稀釋，而且，微孔在拉伸變形過程中的形成更加隨機，裂紋的形核和擴(kuò)展變得更加困難，塑性也得到了提高。

圖4 不同試樣的斷裂模式示意圖。

由于大量的位錯、亞晶等亞結(jié)構(gòu)傾向于聚集在CR后形成的局部剪切帶中，因此在這些區(qū)域通常存在應(yīng)力集中和開裂。此外，細(xì)β相與剪切帶中α相之間的弱界面也是裂紋更容易成核的地方。在拉伸變形過程中，剪切帶的運動受到β相或晶界的阻礙，導(dǎo)致大量的局部應(yīng)力。裂縫和空隙在這些位置迅速成核和傳播，最終導(dǎo)致斷裂。隨著退火溫度的升高，在高變形儲能區(qū)中會發(fā)生優(yōu)先回復(fù)、成核和結(jié)晶，從而改善微觀結(jié)構(gòu)均勻性。因此，裂紋和空隙的成核更加隨機，樣品可以承受更大的變形并表現(xiàn)出優(yōu)異的塑性。

圖5 比較與其他軋制鈦合金性能

該材料通常以犧牲延展性為代價獲得更高的強度，文章比較了軋制方法制備的一些典型鈦合金的機械性能。CR和隨后的真空退火制備的Ti-6Al-4V片具有更好的強度和延展性組合。

通常，經(jīng)歷過嚴(yán)重塑性變形的金屬表現(xiàn)出更高的強度，但其EL和加工硬化率降低。在較高溫度下退火后，低位錯密度和異質(zhì)組織界面為加工硬化提供了足夠的空間，增強了延展性。從工業(yè)制造的角度來看，結(jié)合工藝強化低合金鈦合金可能是未來大規(guī)模生產(chǎn)更經(jīng)濟(jì)可行的方法。

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