中南大学《MSEA》：新工艺！实现高强度和韧性Ti-6Al-4V板材

2022-10-19 13:55:56 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

轧制钛合金薄板比其他塑性变形的钛合金具有更大的工业应用潜力。与热轧和冷轧相比，深冷轧制（CR）可以显着细化晶粒并引入额外的位错，通过抑制塑性变形过程中的动态恢复来加强材料。而EL随着屈服后加工硬化而迅速下降。然而，很少有关于开发一些方法以提高钛合金强度而不牺牲其塑性的报道。退火工艺可以增加轧制钛合金的延展性，最近一些纯钛板的报道表明，冷轧结合后续退火可以有效地调整组织，获得高强度和高塑性。然而，目前还没有关于CR钛合金在<0.5Tm(熔化温度)下进行短周期退火以获得高强度和高韧性的报道。

来自中南大学的喻海良团队研究了Ti-6Al-4V板材深冷轧制及后续短周期真空退火过程中组织演变规律，建立组织与力学性能之间的关系。此外，从相分布和局部剪切带的发展等方面讨论了Ti-6Al-4V板材的塑性变形行为。相关论文以题“High strength and toughness of Ti–6Al–4V sheets via cryorolling and short-period annealing”发表在Materials Science & Engineering A。

论文链接：

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

图1 EBSD得到Ti-6Al-4V样品的反极图、相分布和晶粒分布。

原始组织由等轴α晶粒和短棒β晶粒组成，CR后，晶界处分布着细长的β晶粒。随着后续退火温度的升高，晶粒逐渐长大，并表现出明显的球化行为。随着退火温度的升高，HAGBs逐渐增加，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错水平。973 K退火后，位错密度仍然很高，这是保持样品高强度的关键。

图2 室温单轴拉伸试验分析后的折线图。

CR后试样的UTS增加，而EL明显降低；在随后的退火过程中，UTS先升高后降低，而EL则相反。加工硬化速率可以看出，CR和CR-573 K试样在塑性变形开始后，加工硬化速率迅速降低至0。随着退火温度上升到673 K以上，加工硬化速率逐渐增加。由于热处理的保温时间短，在973 K下退火的样品硬度与CR样品相似，表明保持良好的热稳定性。

图3 Ti-6Al-4V试样在拉伸断口附近的纵向组织

CR样品中，微孔主要沿剪切带分布。在剪切带中部可见微空洞延伸和裂纹扩展，剪切带也相互交错，导致断裂的锯齿状形貌。当退火温度低于773 K时，剪切带不稳定导致微孔快速成核和膨胀，降低了试样的塑性。当退火温度达到973 K时，基体中剪切带结构的分布被稀释，而且，微孔在拉伸变形过程中的形成更加随机，裂纹的形核和扩展变得更加困难，塑性也得到了提高。

图4 不同试样的断裂模式示意图。

由于大量的位错、亚晶等亚结构倾向于聚集在CR后形成的局部剪切带中，因此在这些区域通常存在应力集中和开裂。此外，细β相与剪切带中α相之间的弱界面也是裂纹更容易成核的地方。在拉伸变形过程中，剪切带的运动受到β相或晶界的阻碍，导致大量的局部应力。裂缝和空隙在这些位置迅速成核和传播，最终导致断裂。随着退火温度的升高，在高变形储能区中会发生优先回复、成核和结晶，从而改善微观结构均匀性。因此，裂纹和空隙的成核更加随机，样品可以承受更大的变形并表现出优异的塑性。