晶粒尺寸对Ti-5Mo-4Cr-1V-1Zr合金的TRIP-TWIP协同效应及其力学性能的影响

《Journal of Alloys and Compounds》：The influence of grain size on TRIP-TWIP synergy and the mechanical properties of a Ti-5Mo-4Cr-1V-1Zr alloy

钛合金Ti-5411中β晶粒尺寸调控应力诱导α''相变与{332}<113>孪生的协同效应及力学性能研究。系统考察22-67μm晶粒尺寸下变形机制转变规律，发现细晶（GS22）中α''相变与{332}<113>孪生形成协同强化机制，晶粒粗化（GS67）导致孪生主导变形，强度和延展性均下降。

　　

赵帅|王洋|柴成然|彭林|张元祥|冯芳|郭远

东北大学数字钢国家重点实验室，中国沈阳，110819

摘要

本研究系统地探讨了β晶粒尺寸（GS，22 - 67 μm）如何影响应力诱导的马氏体α″（SIM α″）转变与{332}<113>孪晶的形成，以及它们对Ti-5Mo-4Cr-1V-1Zr（Ti-5411，重量百分比）合金力学性能的联合影响。研究结果表明，马氏体α″的形成受到抑制。随着晶粒尺寸的增加，在6%的拉伸应变下，其面积分数从约14.4%（GS22样品）降低到约1.97%（GS67样品）。主要的变形机制逐渐从TRIP-TWIP协同效应（TRIP：转变诱导塑性；TWIP：孪晶诱导塑性）转变为TWIP效应。对于细晶粒的GS22样品，{332}<113>孪晶在{130}<310>_α″孪晶的辅助下在β晶粒内形成，呈现出马氏体α″和{332}<113>孪晶的平行和交替排列。相比之下，在粗晶粒的GS67样品中，大量连续分布的{332}<113>孪晶沿β晶界形成并扩展到晶粒内部。此外，这些孪晶能够在低角度晶界处发生穿透。力学性能测试表明，随着晶粒尺寸的增加，Ti-5411合金的屈服强度（YS）、极限抗拉强度（UTS）和总伸长率（tEl）逐渐降低。由于显著的TRIP-TWIP协同效应和晶粒细化强化作用，GS22样品获得了最高的整体力学性能（YS：约730 MPa，UTS：约922 MPa，tEl：约39.2%）。此外，由于{332}<113>孪晶和马氏体α″的变形顺序发生变化，以及次级{332}<113>孪晶的形成，GS67样品表现出双峰形应变硬化行为。

引言

为了满足航空航天、石油化工和医疗等关键领域日益提高的性能要求，基于钛的合金因其出色的强度重量比、对恶劣化学环境的耐受性以及与生物环境的兼容性而成为首选[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。特别是亚稳态β-Ti合金因其卓越的力学性能而受到了广泛关注[7]、[8]、[9]、[10]。然而，亚稳态β-Ti合金的力学性能很大程度上取决于其合金成分、加工工艺和微观结构特征，其中晶粒尺寸是一个关键因素[1]、[6]、[11]、[12]、[13]、[14]。此外，变形孪晶和SIM α″转变受多种因素的影响，如β相稳定性、晶体取向[15]、[16]、[17]以及晶粒尺寸[18]、[19]、[20]。因此，控制晶粒尺寸成为在不改变合金化学成分的情况下优化其力学性能的一个有前景的方法，并逐渐引起了研究人员的关注[21]、[22]。近年来，大量研究集中在探讨亚稳态β-Ti合金的晶粒尺寸依赖性力学响应和变形机制上。Bhattacharjee等人[19]表明，在Ti-10V-2Fe-3Al（重量百分比）合金中，SIM α″转变的临界应力随β晶粒粗化而增加。然而，当晶粒尺寸超过大约300 μm时，转变应力不再增加。Cai等人[23]发现，在Ti-16V-3.5Al-3Sn（重量百分比）合金中，SIM α″转变的触发应力与β晶粒尺寸呈U形依赖关系，在约1.3 - 30 μm的范围内达到最小值。Chong等人[24]、[25]发现，具有更细晶粒尺寸和更低氧含量的Ti-12Mo合金促进了SIM α″转变。然而，Wu等人[21]观察到，在Ti-12Mo（重量百分比）合金中，随着晶粒尺寸从约30 μm增加到约65 μm，主要的变形机制从变形孪晶转变为SIM α″转变。Wang等人[18]发现，在Ti-20V-2Nb-2Zr（重量百分比）合金中，随着晶粒尺寸的减小，{332}<113>孪晶的激活变得越来越困难。类似地，晶粒细化也抑制了奥氏体钢中的孪晶激活[26]。目前，许多研究人员研究了晶粒尺寸如何影响亚稳态β-Ti合金的变形机制。然而，关于其在TRIP-TWIP协同效应下的作用的研究仍然较少。

基于此，本研究探讨了β晶粒尺寸如何影响先前开发的Ti-5411合金[27]的力学性能和TRIP-TWIP协同效应。这些发现加深了人们对TRIP-TWIP协同效应如何影响材料性能的基本机制的理解，为优化亚稳态β-Ti合金以实现更好的强度和延展性提供了宝贵的见解。

实验材料

实验材料

采用水冷铜坩埚在低真空和氩气保护气氛下通过悬浮熔炼制备了名义组成为Ti-5Mo-4Cr-1V-1Zr（重量百分比）的合金锭。为确保化学均匀性，该锭重新熔炼了三次。经过车削加工后，将锭在高于β → α转变温度（约745 °C）下锻造和轧制，制成厚度约为5 mm的板材。随后，将板材在800 °C下进行90分钟的固溶处理。

原始微观结构

图3显示了Ti-5411合金在800 °C下固溶退火8至150分钟后的逆极图（IPF）着色图、IPFs和晶粒尺寸分布统计结果。图3(a₁-d₁)表明，所有固溶退火样品均呈现等轴β晶粒结构。随着退火时间的延长，β晶粒逐渐粗化。根据图3(a₂-d₂)，不同保持时间后的合金板材的平均晶粒尺寸分别为约22 μm、44 μm、57 μm和67 μm。

变形机制的晶粒尺寸依赖性

根据上述结果，Ti-5411合金中马氏体α″的面积分数随着β晶粒尺寸的增加而逐渐减小。根据Liu等人[40]提出的理论，SIM α″转变的自由能变化可以用方程（4.1）表示：

?G=?H-T?S+?E_el+δE_ir-?E_re

ΔG表示SIM α″转变过程中的系统自由能变化。ΔH、ΔS和T分别对应焓变、熵变和测试温度。

结论

本研究系统地探讨了β晶粒尺寸对Ti-5411合金力学性能和TRIP-TWIP协同效应的影响。主要发现如下：

1.

在细晶粒的GS22样品中，{332}<113>孪晶在{130}<310>_α″孪晶的辅助下在β晶粒内形成，呈现出马氏体α″和{332}<113>孪晶的平行和交替排列。随着β晶粒尺寸的增加，SIM α″转变逐渐受到抑制，其面积分数也随之减小。

作者贡献声明

赵帅：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件使用，方法论，实验研究，数据分析，概念化。彭林：方法论，实验研究，概念化。张元祥：撰写 – 审稿与编辑，监督，软件使用，方法论。王洋：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，项目管理，资金获取，数据分析。柴成然：撰写 – 原稿，方法论，数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号52104372、52374332）的财政支持。