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Ti-6Al-4V(TC4)是使用最廣泛的鈦合金之一,具有較高的比強度,良好的疲勞和斷裂性能,優異的耐腐蝕性和生物相容性。它還具有良好的高溫性能,被廣泛用于航空發動機零件,機架和燃氣輪機葉片等。對該合金進行不同的熱機械加工會改變其微觀結構和晶體學織構,以獲得最佳的機械性能。現有研究發現純鈦中位錯的平均自由程與材料的強度有一定關系,但是在TC4上的影響機制還沒有得到證實。

印度理工學院針對TC4合金研究了在不同溫度下單軸壓縮過程中材料的顯微組織、織構、位錯平均自由程和力學性能的演變機理。

研究人員選取不同溫度和不同壓縮量進行單軸壓縮試驗。研究發現TC4合金在298K和673K溫度下變形時發生了明顯的晶粒細化,在其研究的所有變形溫度下,在特定方向的晶粒中都觀察到了變形帶。這些變形帶起源于晶界,并逐漸向晶粒內部發展,晶界附近的變形帶能夠促進晶界的位錯活動和母體晶粒內形變孿晶的形成。還觀察到形變孿晶在晶粒內部成核,即在變形帶和母晶粒之間的邊界處。細化晶粒的機制為變形過程中,孿晶或極低角度邊界(VLAGBs)逐漸過渡到低角度邊界(LAGBs)并最終轉變為高角度晶界(HAGBs)。隨著溫度的增加,孿晶對晶粒細化的影響減弱,位錯的平均自由程持續增加。

1室溫變形樣品的不同類型的晶界IPF圖


在從室溫到高溫的變形過程中,合金發生了硬化,但硬化速率隨溫度而變化。流變應力隨應變的增加歸因于材料中位錯含量的增加或位錯平均自由程的減少。在室溫下變形的樣品硬化值先隨應力的增加而降低,后隨應力的增加而上升。在高溫下變形的樣品僅顯示出硬化值隨應力值的增加而下降。在673K的溫度下,硬化值隨應力的降低速率最大,此溫度下孿晶含量最高,因為孿晶可以細化晶粒尺寸并促進位錯的錯位。所以孿生分數增加,則硬化速率應降低。將TC4與純鈦對比發現,TC4合金的位錯平均自由程更低,與位錯-位錯相互作用相比,位錯-溶質相互作用占主導地位,這種位錯-溶質相互作用是壓縮過程中TC4合金強度增加的原因。

    綜上所述,研究人員分析了TC4合金不同溫度下變形的微觀結構,織構,位錯平均自由程和力學性能的演變。解釋了織構的轉變機理,發現位錯的平均自由程在室溫下變形時減小。隨著變形溫度的升高,位錯的平均自由程增加。在673K下的變形,硬化率的降低較大,能夠獲得更高的強度。本研究為鈦合金在熱機械加工中的組織演變和性能影響提供了理論基礎。


來源:微信公眾號材料科學與工程