退火温度调控冷轧亚稳β-钛合金再结晶与孪晶-马氏体协同作用以实现强塑性优化

《Materials Characterization》：Effects of annealing temperature on the recrystallization and cooperative twin-martensite interactions of a cold-rolled metastable β?titanium alloy with comprehensive yield strength and ductility

本研究针对冷轧亚稳β-钛合金强塑性难以协同的难题，系统探究了不同退火温度（760°C、820°C、920°C）对材料再结晶行为、变形模式及力学性能的影响。研究发现920°C退火样品通过诱发位错、孪晶、马氏体的分级激活及相互作用，实现了高屈服强度（~700 MPa）与优异拉伸塑性的协同提升，为高性能钛合金设计提供了新思路。

　　

钛合金因其高比强度和优异的耐腐蚀性，在航空航天、生物医疗等领域具有广泛应用前景。然而，传统钛合金往往面临强度与塑性难以兼得的困境：提高强度常以牺牲塑性为代价，而增强塑性又可能导致强度下降。这一矛盾尤其在亚稳β-钛合金中更为突出，其力学性能强烈依赖于热处理工艺所调控的微观组织。冷轧变形是提升钛合金强度的有效手段，但后续的退火处理对恢复塑性、调控再结晶程度及变形机制至关重要。如何通过精确控制退火工艺，在冷轧亚稳β-钛合金中实现强度与塑性的最佳匹配，成为材料科学家亟待解决的关键问题。

为了深入探究这一问题，来自上海交通大学的研究团队在《Materials Characterization》上发表了他们的最新研究成果。他们以一种新型的冷轧亚稳Ti-14.7Mo-1.8Al (wt%)合金为研究对象，系统考察了不同退火温度（760°C, 820°C, 920°C）对其微观组织演化、变形行为及最终力学性能的影响规律，旨在揭示强塑性协同优化的内在机理。

本研究主要采用了以下关键技术方法：首先，对合金进行冷轧预处理；随后，在不同温度（760°C, 820°C, 920°C）下进行短期（5分钟）退火处理，制备出系列样品；利用电子背散射衍射（EBSD）等技术详细表征了样品的微观结构（包括再结晶程度、晶粒尺寸、织构）；通过单轴拉伸试验评估了材料的力学性能（屈服强度、拉伸塑性）；结合 Schmid 因子计算和微观结构观察，分析了不同变形模式（位错滑移、孪生、马氏体相变）的激活及其相互作用。

Effects of annealing temperature on microstructure

研究结果表明，退火温度显著影响合金的再结晶行为。在760°C低温退火时，静态再结晶几乎不发生，组织仍以冷轧变形结构为主。当温度升至820°C时，再结晶过程在短时间内近乎完成，导致了显著的晶粒细化，但形成了较强的<111>//ND和<112>//RD织构组分。而当退火温度进一步提高到920°C时，更高的原子扩散速率和晶粒长大速率使得再结晶晶粒尺寸增大，同时织构强度减弱，表现为{001} θ-纤维织构。

Deformation modes and mechanical properties

微观结构的差异直接导致了变形模式的变化。CR-820样品中强烈的织构使得{323}<131>孪生具有较高的临界分切应力（CRSS），导致孪生诱导塑性（TWIP）效应有限，变形早期以位错塞积为主，引起局部应力集中和过早断裂，因而拉伸塑性（TEL）最低。相比之下，CR-920样品中较弱的{001}织构使得位错滑移的 Schmid 因子（SF）较高，在低应变下易于形成滑移带。随着应变增加，孪晶和马氏体被分级激活，并且二者之间发生强烈的相互作用，这种多机制协同变形贡献了持续且较高的加工硬化能力，从而推迟了塑性失稳的发生，使得CR-920样品在保持约700 MPa高屈服强度的同时，获得了最优异的拉伸塑性。

Conclusions and implications

综上所述，本研究阐明了退火温度通过调控冷轧亚稳β-钛合金的再结晶进程和织构演化，进而影响其变形机制（位错滑移、孪生、马氏体相变）的激活顺序与相互作用，最终决定了材料的强塑性匹配。在920°C下退火，能够获得弱织构的再结晶组织，诱发位错、孪晶、马氏体的分级激活与强交互作用，是实现高强度与高塑性协同提升的关键工艺窗口。该研究不仅为理解亚稳β-钛合金的微观组织-性能关系提供了深入见解，而且为通过简单的热处理工艺设计开发高性能钛合金材料指明了可行的技术路径，具有重要的理论价值和实际应用前景。