具有定制微观结构的Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo合金的变形机制：基于EBSD技术对滑移行为和滑移传递的研究

《Materials Science and Engineering: A》：Deformation mechanisms in Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo alloy with tailored microstructures: An EBSD study on slip activity and transfer

　　王大鹏|张继祥|廖志倩|扎里纳贾德·梅赫尔达德|江新和|吴玉坤|童云翔
哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院，哈尔滨，150001，中国

**摘要**
理解微观结构界面如何调节滑移活性和转移对于优化近α型Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo（Ti6321）钛合金的强度-延展性平衡至关重要。本研究通过原位拉伸测试、扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）技术，研究了等轴微结构（EM）、双模微结构（BM）、篮状微结构（BA）和魏德曼斯特滕微结构（WM）的变形机制。结果表明，在所有微结构中，棱柱状滑移占主导地位，而随着应变的增加，金字塔状和其它滑移系统逐渐被激活以保持变形的兼容性。α相的形态决定了有效的滑移长度，其中BA中的交织晶片最小化了位错的平均自由路径，从而实现了最高的强度（极限抗拉强度为1092 ± 43 MPa）。此外，强度-延展性平衡受到界面“阻碍-转移协同作用”的控制：低错配度的界面促进了滑移转移，而高错配度的界面则阻碍了位错的运动。这种协同作用使得BM样品实现了更好的强度-延展性平衡（极限抗拉强度为998 ± 27.4 MPa，伸长率为16.7 ± 3.2%）。

**引言**
近α型Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo（Ti6321）钛合金因其高比强度、耐腐蚀性和良好的焊接性能而在航空航天、海洋和化学工程领域得到广泛应用[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]]。普遍认为Ti6321的机械性能与其微观结构密切相关[[8], [9], [10], [11], [12]]，主要包括等轴微结构（EM）、双模微结构（BM）、篮状微结构（BA）和魏德曼斯特滕微结构（WM）。这些微结构表现出不同的机械性能。通常，EM样品由等轴的α相（αp）和晶界间的β相组成，具有较高的延展性但相对较低的强度[13]，其代表性拉伸性能为极限抗拉强度约787 MPa，伸长率约16.5%[14]。BM样品由αp晶粒和转变后的β基体组成，实现了强度和延展性的平衡[15,16]，其代表性拉伸性能为极限抗拉强度约1142 MPa，伸长率约13.4%[17]。BA样品具有细小的交织α相晶片（αl），导致较高的强度但延展性较差[18]，其代表性拉伸性能为极限抗拉强度约1159 MPa，伸长率约9.7%[17]。WM样品具有粗大的α相晶簇，提高了断裂韧性和抗蠕变性，但降低了塑性[19,20]，其伸长率仅为8.6%[21]。总体而言，EM样品通常具有最佳的延展性，BM样品在强度和延展性方面取得了更好的平衡，而BA和WM样品的延展性较低。

近α型钛合金的塑性变形主要通过六方密排（HCP）α相内的位错滑移来实现[22,23]。激活的滑移系统包括基面{0001}<11 2￣ 0>、棱柱面{101￣ 0}<112￣ 0>、金字塔面{101￣ 1}<112￣ 0>和金字塔面{101￣ 1}<112￣ 3> [24]。这些滑移系统受其临界解析剪应力（CRSS）和施密德因子（SF）的控制[25]。较大的SF会增加滑移面上的解析剪应力，使其更容易超过CRSS[26]。在多相微结构中，滑移行为还受到局部应力集中的影响，尤其是在晶界处[27]。因此，研究不同微结构中的滑移机制对于理解其整体变形行为是必要的。

在不同微结构中，滑移机制受到相应界面的强烈影响，因为不同类型的界面在变形过程中会导致不同的局部应力集中，进而影响滑移转移行为。钛合金的机械性能由位错滑移与晶界之间的相互作用控制[[28], [29], [30], [31]]。这些界面处的滑移激活和转移取决于局部晶粒取向及由此产生的错配度[32,33]。Liu等人[22]的研究表明，在具有等轴微结构的Ti-5Al-2.5Cr-0.5Fe-4.5Mo-1Sn-2Zr-3Zn合金中，α/β界面几乎承担了三分之二的滑移转移事件。变形通常从α相开始，但由于较大的错配角度，部分滑移在界面处被阻止。此外，界面的阻碍效应随晶粒形态的不同而有显著差异。在TC21的BM样品中，滑移转移发生在α/β界面之间，但在α晶粒与β转变基体之间受到抑制[34]。在具有魏德曼斯特滕微结构的TA19中，α晶簇界面处的应力集中往往是裂纹萌生的优先位置[23]。这些研究表明，界面类型和分布控制着钛合金中的滑移行为。此外，Liu等人[35]对Ti-6Al-4V在压缩载荷下的研究为理解α+β钛合金的变形行为和微观结构演变提供了有用的对比基准。然而，Ti6321中微结构与滑移转移之间的具体关联尚未完全明确。Ti6321的四种典型微结构包含不同类型的界面，如等轴α相（αp/αp）之间、α相与层状α相（αp/αl）之间、层状α相（αl/αl）之间以及α晶簇界面之间的界面。目前尚不清楚在相似的变形条件下，哪些界面主要促进滑移传输，哪些界面有效阻碍滑移。这些界面对滑移行为的影响及其对机械性能的后续影响尚未得到清晰揭示。

假设等轴αp晶粒之间的界面更有利于滑移转移，而密集的层状αl/αl界面则对位错运动形成更强的阻碍。这种差异预计会影响局部应力集中和有效滑移长度，从而导致不同微结构之间的强度-延展性差异。本研究旨在通过将αp/αp、αp/αl、αl/αl和α晶簇界面处的“阻碍-转移协同作用”与Ti6321合金的宏观强度-延展性平衡联系起来，填补这一空白。具体而言，在相似的变形条件下，Ti6321中哪些特征界面主要促进滑移传输，哪些界面作为有效的障碍，以及它们的相对数量如何定量转化为不同微结构中的机械响应。为此，通过定制的热处理制备了四种不同的微结构（EM、BM、BA、WM），并通过原位拉伸测试对其机械性能进行了表征，同时利用扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）识别激活的滑移系统，并统计评估滑移转移与界面特性的关系。通过建立Ti6321中微结构-界面-滑移转移之间的联系，本研究阐明了四种代表性微结构之间不同强度-延展性结果的机制起源，并为近α型钛合金的微观结构设计提供了依据。

**实验程序**
从宝鸡龙华公司购买了一根直径为38毫米的Ti6321合金棒。其化学成分（重量百分比）为：6.08 Al、2.98 Nb、2.11 Zr、1.01 Mo、0.011 Si、0.013 Fe，其余为Ti。初始坯料经过轧制后在（α+β）相区域进行锻造。该合金的β转变温度约为998°C[36]。收到的坯料具有双模微结构，由嵌入转变后的β基体中的等轴α相组成。

**图1**显示了SEM图像和EBSD相图，特征微观结构尺寸总结在表1中。EM样品由平均尺寸为5.6 ± 2.7 μm的等轴αp晶粒组成，体积分数为83%，β相分布在它们的晶界处（红色表示αp，蓝色表示β）。由于β相的体积分数较低，αp/αp晶界是主要的界面类型。相比之下，BM样品（图1c和d）由αp晶粒和转变后的β基体组成。

**图5**显示了不同样品在不同应变下激活滑移系统的SF分布。滑移系统的统计演变（图5和表S1–S4）表明，变形模式发生了动态转变，这种转变受CRSS和局部应力状态之间竞争的支配[48]。在塑性变形开始时（例如，EM样品中1.7%的应变），基面滑移（55%）和棱柱滑移（39%）占主导（图5a1）。这种行为受到合金成分的影响。

**结论**
本研究通过原位拉伸测试和EBSD技术，研究了具有四种典型微结构（即等轴（EM）、双模（BM）、篮状（BA）和魏德曼斯特滕（WM）的Ti6321合金的变形机制。主要发现如下：
(1) 在所有微结构中，棱柱状滑移是主要的变形模式。随着应变的增加，金字塔状和其他滑移系统的激活程度增加，以保持变形的兼容性。

**作者贡献声明**
王大鹏：撰写——原始草稿、方法论、研究、形式分析。
张继祥：验证、数据管理。
廖志倩：方法论、概念化。
扎里纳贾德·梅赫尔达德：撰写——审阅与编辑、形式分析。
江新和：验证、研究。
吴玉坤：验证、监督、形式分析。
童云翔：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。

**关于科学写作中生成式AI的声明**
在准备本工作时，作者使用了ChatGPT来提高科学写作的清晰度和简洁性，精炼英语语法和风格，并增强手稿的逻辑性。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审查和编辑，并对发表文章的内容负全责。

**关于利益冲突的声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

**致谢**
本研究得到了洛阳船舶材料研究所国家海洋腐蚀与防护重点实验室研究基金的支持，合同编号为KJS2412。