《Journal of Alloys and Compounds》：Microstructural inheritance behavior and its strain rate dependence in Ti-6Al-4V alloy during hot compression across alternative phase fields
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摘要通过热机械处理将Ti-6Al-4V合金的铸态微观结构优化为更为精细且均匀的结构，对于提升其力学性能至关重要。尽管从单相β态到双相α+β态的依次变形在工业上已被证明有效，但连续变形过程中微观结构的传承机制仍不甚明了。本研究探讨了在不同相场路径和应变速率下，铸态Ti-6Al-4V
摘要
通过热机械处理将Ti-6Al-4V合金的铸态微观结构优化为更为精细且均匀的结构，对于提升其力学性能至关重要。尽管从单相β态到双相α+β态的依次变形在工业上已被证明有效，但连续变形过程中微观结构的传承机制仍不甚明了。本研究探讨了在不同相场路径和应变速率下，铸态Ti-6Al-4V合金经过热变形后的微观结构演变及其传承规律。研究结果表明，不同相场下的变形可通过β晶粒的动态再结晶与层状α的动态球化作用产生协同效应，从而实现流动软化。在低应变速率（0.001 s?1）条件下，单相β态变形产生的细小β晶粒和层状α会在后续双相α+β态变形中加速层状α的球化过程。同时，双相α+β态变形可通过促进GBα的球化来增强β晶粒的动态再结晶，最终使得晶界α和晶内层状α都实现均匀球化。而在高应变速率（0.1 s?1）条件下，GBα会迅速球化，而晶内层状α则主要通过弯曲和融合的方式演变。本研究为设计能够实现可控微观结构的热机械处理工艺提供了科学依据。
引言
Ti-6Al-4V钛合金因其优异的强度、出色的耐腐蚀性以及良好的高温性能，被广泛应用于航空航天、国防和汽车工业领域[1]。在这些应用中，零部件往往要承受复杂的载荷和环境条件，这就对材料的强度、延展性和抗疲劳性能提出了极高要求。然而，铸态Ti-6Al-4V合金通常存在化学偏析、粗大的柱状晶以及收缩孔隙等问题[2]，这些缺陷会严重影响其力学性能和整体可靠性。为消除这些缺陷并提升其工程性能，热机械处理已成为Ti-6Al-4V合金工业化生产中不可或缺的环节，因为它能够同时实现材料的成形与微观结构优化[3]。要获得理想的微观结构，就需要精确控制应变、应变速率以及变形温度等关键工艺参数。这些参数共同影响着材料的动态再结晶、动态球化以及动态α→β相变过程，进而决定Ti-6Al-4V合金的最终微观结构和力学性能。因此，了解工艺参数与微观结构演变之间的关联，对于优化热机械处理工艺、确保钛合金在极端条件下的稳定使用至关重要。
已有大量研究通过改变应变、变形温度和应变速率等热机械处理参数，试图揭示钛合金中的工艺-微观结构关系[9][10][11][12]。在这些参数中，不同相场下的热变形会引发不同的微观结构演变路径。在单相β态下进行热机械处理时，可通过动态再结晶使粗大的铸态β晶粒细化，随后在冷却过程中促使热稳定的层状α结构形成[13][14][15]。不过，这类层状微观结构通常具有较低的室温延展性和冲击韧性[5][16][17]。此外，连续的层状α晶界会成为疲劳裂纹扩展的优先路径，从而限制了这类材料在高循环疲劳条件下的应用[18]。而在双相α+β态下进行变形时，半相干α/β晶界处的界面失配结构会逐渐破坏α相与β相之间的伯格斯取向关系[18][19][20]。当累积应变超过某个临界值（0.71-1）时，这种界面破坏会促进层状α的动态球化，进而形成等轴α结构，从而使材料具备更均匀的塑性变形能力和更好的延展性[20]。然而，仅靠α+β态下的变形通常难以充分引发β晶粒的动态再结晶[18][21]，因此初始状态下那些晶格取向不佳的粗大β晶粒仍会保留下来，进而降低材料的断裂韧性。目前，关于β态动态再结晶和α+β态动态球化的研究大多基于单相场模型，而它们在连续相场转变过程中的相互作用机制尚不明确。
为克服这些局限，工业上普遍采用先进行β态处理后再进行α+β态处理的顺序策略[19][22][23]。这种处理方式形成的双相微观结构包含细小的等轴α晶粒和细化的β晶粒，兼具良好的延展性、出色的抗疲劳性能以及稳定的力学性能，能够满足各类重要工程应用的需求[18]。这种顺序策略的有效性不仅取决于所选的相场，还与相应的应变速率条件有关。例如，Seshacharyulu等人[24]发现，在较低应变速率下的变形过程中β晶粒会发生动态再结晶，而较高应变速率则会导致剪切带形成，使材料出现流动不稳定性。同样，Yu等人[25]也指出，在铸态Ti-6Al-4V合金中，低应变速率变形有助于形成均匀的微观结构，而将应变速率提高到10 s?1则会导致材料出现裂纹和流动局部化现象。我们之前的研究还发现，随着应变速率的增加，动态相变从促进层状α的扭曲转变为抑制其扭曲，而动态球化则始终是推动层状α扭曲的重要因素[10]。这些研究充分体现了应变速率的重要性，但它们大多仅在单一工艺流程范围内评估材料的变形行为，未能阐明相场交替变化过程中应变速率与变形顺序之间的相互作用。因此，相场路径和应变速率对微观结构演变的耦合影响至今仍未被充分理解。要想优化材料的力学性能，就有必要对不同的相场路径和应变速率条件进行协同设计。
尽管相场路径控制和应变速率控制已在工业上得到广泛应用且效果显著，但以往的研究大多仅着眼于单个相场下的热变形行为[9][26][27]，并未从连续变形过程中微观结构传承的角度展开研究。因此，目前对于不同工艺路径下微观结构演变机制的起源仍缺乏深入认识。尤其是，早期变形过程中产生的缺陷和结构细化是如何被后续变形过程所继承的，以及后续变形又是如何进一步改变这些已存在的微观结构的，这些问题至今仍未明确。此外，应变速率在多大程度上与这些传承效应相互作用以调控最终微观结构，也尚未得到系统性的阐明。因此，弄清不同相场下的微观结构传承机制，对于全面理解Ti-6Al-4V合金中工艺路径依赖型的微观结构演变具有重要意义。
本研究旨在阐明Ti-6Al-4V合金在不同相场下进行热变形时，微观结构传承的相互作用机制。为此，我们设计了多种不同的相场路径，包括依次进行“β态处理→α+β态处理”的循环，并在不同应变速率下进行了实验研究。研究采用了光学显微镜、扫描电子显微镜、电子背散射衍射和透射电子显微镜等多尺度表征技术，旨在建立变形工序、相场转变与微观结构演变之间的关系。本研究不仅关注每种变形路径最终形成的微观结构，还着重分析了前一变形步骤形成的微观结构是如何被后续变形步骤所继承和改变的。同时，研究也明确了应变速率对微观结构演变的重要影响。这些研究成果架起了微观结构机制与工业加工实践之间的桥梁，为设计出更高效的钛合金锻造热机械处理工艺提供了科学依据。
章节节选
材料
本研究使用的材料是由宝武特种冶金有限公司提供的商用Ti-6Al-4V合金锭。该合金锭是在真空电弧重熔炉中熔炼并铸造而成的。经检测，该合金的化学成分（重量百分比）为：铝6.267%、钒4.162%、铁0.059%、碳0.015%、氧0.056%、氮0.006%，其余为钛。通过金相分析方法，该合金的β相转变温度被确定为约985℃。
该真空电弧重熔得到的合金的初始微观结构为
流动行为
图3展示了Ti-6Al-4V合金在0.001 s?1和0.1 s?1两种应变速率下，通过不同热压缩工艺处理时的流动应力曲线。对于每种应变速率，研究了五种不同的变形工艺。流动应力数据是通过我们之前研究中所建立的修正方法进行摩擦修正的[10]。如图3a、b所示，流动应力会随着应变速率的降低和温度的升高而下降。
为评估不同相场带来的影响，
在单相β态下进行变形
图7展示了该合金在单相β态（1150℃，0.001 s?1）下经过热压缩至真应变为0.22时的微观结构演变情况，这一工艺对应于方案Ⅰ的第一步以及方案Ⅲ和Ⅳ的初始变形步骤。通过对棒状试样最大直径区域的光学显微镜观察，可以发现β晶粒已经变得更为细化，且分布不均匀（见图7a、b）。大多数β晶粒都沿着压缩方向拉长，其平均长宽比约为3.5（见图7c）。β晶界的边缘存在轻微的弯曲现象（用白色标出
结论
本研究为了解释Ti-6Al-4V合金在不同相场下进行热变形时，微观结构传承行为的相互作用机制及其对应应变速率依赖性提供了新的见解。主要结论如下：
- 1.
与单一温度下的变形工艺相比，不同相场下的热变形具有更强的保持流动软化能力。这一优势源于β晶粒的动态再结晶与层状α的动态球化作用的协同效应
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。
致谢
毛波感谢中国国家自然科学基金项目“先进材料-国家科技重大专项”（项目编号2025ZD0612001）以及中国国家自然科学基金（项目编号52571089）所提供的资金支持。
刘倩|孙伟|梁高飞|赵海燕|楚双杰|孟庆桐|徐正方|毛波
上海交通大学材料科学与工程学院，中国上海200240
