关于Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo合金在低温下的拉伸性能、冲击性能及其变形机制的研究

《Journal of Alloys and Compounds》：Research on the tensile and impact properties and their deformation mechanisms of Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo alloy at cryogenic temperatures

低温下近α型Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo合金静拉伸与冲击性能的协同演变及机理分析。

　　

胡斌|刘晓涛|史双喜|孔斌|何俊阳|张晓勇|周克超

中南大学粉末冶金国家重点实验室，中国长沙，410083

摘要

在低温环境下，优异的强度、延展性和冲击韧性对于确保海洋工程用钛合金的结构可靠性至关重要。本研究系统地研究了近α型Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo合金在20°C至-196°C范围内的力学性能和变形机制。结果表明，随着温度的降低，合金的强度和延展性均得到了协同提升，而冲击韧性却显著下降。深入分析发现，在准静态拉伸过程中，低应变率使得位错增殖和移动有足够的时间；同时，低温下位错滑移的临界分解剪应力（CRSS）增加，促进了{10$\stackrel{?}{1}$2>孪晶的形成。这些变形机制的协同作用提高了微观结构的均匀变形能力，从而在低温下实现了更好的延展性。然而，在低温高应变率冲击载荷下，位错滑移的CRSS显著升高，变形时间缩短，导致α相中的位错滑移和孪晶形成受到强烈抑制。尽管在较软的β相中位错滑移仍然活跃，但其受限的形态会在β/α界面处引发位错堆积和应力集中，从而导致裂纹沿β/α界面快速扩展，使得塑性区极小，冲击韧性急剧下降。

引言

近α型钛合金（如Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo）因其高比强度、优异的耐海水腐蚀性能和良好的冲击性能而适用于海洋工程[1]、[2]、[3]。这些材料在海洋环境中会受到高静水压力和潜在的瞬态动态冲击（例如来自冰的冲击）。然而，低温使用时的一个主要挑战是低温脆性问题，这通常表现为钛合金的塑性降低和冲击韧性减弱[4]、[5]，限制了其更广泛的应用。

合金的力学性能本质上取决于温度。通常情况下，随着温度的降低，强度会增加，这主要是由于位错滑移的临界分解剪应力（CRSS）升高[6]、[7]。因此，与室温相比，合金在低温下的塑性和韧性通常会降低，因为位错的激活和传播变得更加困难[8]、[9]、[10]。有趣的是，最近的一些研究指出，在准静态拉伸载荷下，某些近α型钛合金的塑性随着温度的降低而增加。例如，Wang[11]观察到近α型Ti-5Al-1V-1Sn-1Zr-0.8Mo合金的伸长率从0°C降至-196°C时从17.5%增加到25.0%；Zang[7]报告称近α型Ti-3Al-3Mo-3Zr合金在-196°C时的伸长率为23.0%，而在20°C时为19.0%。类似的结果也出现在近α型Ti-5Al-2.5Sn ELI和Ti-5Al-2.5Zr ELI合金中[12]、[13]。这种异常的塑性增强现象普遍归因于低温下丰富的变形孪晶的形成。孪晶有效缓解了应变，提高了变形适应性，从而产生了孪晶诱导塑性（TWIP）效应[14]。

鉴于TWIP效应对塑性的积极影响，预计低温下的韧性也会有所提高。实际上，其他材料系统（如高/中等熵合金和316不锈钢）也观察到了类似的韧性提升[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。然而，关于钛合金在低温下的冲击韧性研究仍然有限，主要集中在室温下微观结构和成分的影响[4]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。值得注意的是，有限的研究表明低温对钛合金的冲击性能有害[5]、[9]。然而，低温下拉伸和冲击载荷下不同力学响应的潜在机制尚不明确。特别是，低温下塑性和韧性之间负相关性的根本原因仍需进一步阐明。

因此，选择了近α型Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo合金来研究低温下拉伸和冲击性能的差异。我们比较了低温（低至-196°C）对准静态拉伸性能和夏比冲击韧性的影响。通过分析这些不同载荷模式（拉伸和冲击）和温度下激活的变形机制（位错滑移和孪晶形成），揭示了性能变化的根本原因。具体来说，我们阐明了温度降低时塑性和冲击韧性之间的对比关系。本研究旨在加深对Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo及类似近α型钛合金在低温下性能的理解，为其在海洋工程中的应用提供理论支持。

实验材料与方法

使用的是由湖南香头金星钛业有限公司提供的热轧Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo合金板，厚度为30毫米。金相分析确定其（α+β）/β转变温度（T_β）约为1000°C。化学成分见表1。

该合金在970°C下退火2小时，然后空气冷却。选择此温度低于T_β（约1000°C），以获得典型的双相微观结构，确保强度和韧性的匹配。

拉伸与冲击性能

图2a1和a2分别展示了不同温度下的工程应力-应变曲线及相应的拉伸性能（屈服强度-YS、极限抗拉强度-UTS、伸长率-EI）。值得注意的是，随着温度的降低，YS、UTS和EI均同步增加。具体来说，在-196°C时，YS、UTS和EI分别达到了1276 MPa、1325 MPa和16.8%。

图2b1展示了带传感器的夏比冲击试验的载荷-位移曲线。

讨论

本研究在近α型Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo合金中发现了两个显著且看似矛盾的现象：（1）在准静态拉伸载荷下，随着温度降低至-196°C，强度和塑性得到了协同提升；（2）在同一低温下，高应变率夏比冲击试验中的冲击韧性显著下降。这些差异的根本原因在于主要变形机制（包括位错）的不同响应。

结论

本研究比较研究了近α型Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo合金在20°C至-196°C温度范围内的拉伸性能、夏比冲击韧性和潜在的变形机制。主要研究结果总结如下：

（1）随着温度从20°C降至-196°C，极限抗拉强度和伸长率分别从878 MPa和12.6%协同提升至1325 MPa和16.8%。相比之下，夏比冲击韧性

作者贡献声明

刘晓涛：验证、监督。孔斌：验证、资源协调。胡斌：撰写初稿、实验研究、资金申请。史双喜：项目管理、方法论设计。周克超：资金申请、概念构思。何俊阳：撰写、审稿与编辑、实验研究。张晓勇：撰写、审稿与编辑、资源协调、资金申请。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢国家自然科学基金专项基金（52441406）、国家自然科学基金专项基金（52441410）、国家自然科学基金（项目编号52371040）以及湖南省自然科学基金区域创新联合基金（2023JJ50333）的财政支持。此外，作者还感谢中南大学研究生创新项目的资助。