揭示室温下Ti-22Al-24Nb-0.5Mo合金板材在塑性变形过程中的应变硬化与软化机制

《Materials Science and Engineering: A》：Revealing mechanisms for strain hardening and softening of Ti-22Al-24Nb-0.5Mo sheet during plastic deformation at room temperature

　　

摘要

通过电子背散射衍射和透射电子显微镜分析，本研究揭示了不同温度下退火处理的Ti-22Al-24Nb-0.5Mo合金板材在室温单轴压缩过程中发生应变硬化后又出现软化的微观机制。在压缩前，原始状态及650℃退火样品中未观察到{110}孪晶，而压缩后的原始状态样品中出现了该孪晶，表明该样品发生了{110}孪晶变形。尽管各相的成分差异并不显著，但650℃退火样品的屈服应力明显低于原始状态样品，这是因为前者存在较弱的织构以及更多易变形的晶粒。更高温度下的退火（900℃和1020℃）会增加B2相的比例，从而导致力学性能下降。该合金板材的硬化与软化机制可分为两类：在原始状态及650℃退火样品中（以O相为主），硬化是由于位错增殖以及硬相的阻碍作用；软化则是由于位错团引起的细小硬质α2相和O相的破碎；而在900℃和1020℃退火样品中（O相与B2相含量相近），硬化是由于B2基体中位错的增殖以及硬相的钉扎作用；软化则主要是由B2相中位错的消亡所致。

引言

Ti2AlNb基合金因其较高的比强度以及优异的高温抗氧化和抗蠕变性能，被认为在航空航天领域的高温结构件应用中具有巨大潜力[1]、[2]、[3]、[4]。由于加入了Nb元素，这类合金在高温下的性能优于传统的Ti3Al合金，而且其在室温下的塑性也得到了显著提升[5]、[6]、[7]。Ti2AlNb基合金通常具有多相微观结构，包括正交结构的O相、密排六方结构的α2相以及体心立方结构的B2/β相[8]。其中，B2/β相作为基体，主要负责承受塑性变形；而O相则是主要的强化相，能够提升合金的强度和抗蠕变能力。虽然α2相也能起到强化作用，但其与B2/β基体的变形协调性较差，其主要功能是抑制B2相中的晶粒生长[9]、[10]、[11]。因此，Ti2AlNb基合金的力学性能在很大程度上取决于其微观结构特征[7]、[12]。

O相是Ti2AlNb基合金中主要的强化相，所以其变形机制和强化机制对于微观结构的设计与控制至关重要。迄今为止，已有大量研究关注O相的强化行为及其效果。例如，Polozov等人[13]发现，通过大量析出较小尺寸的O相，可以最大化Ti2AlNb基合金的显微硬度，这说明细小的O相具有强化作用。Zhang等人[14]则发现，O相在室温及650℃下的拉伸过程中都能产生显著的强化效应。因此，许多研究者试图通过调控O相的形态[15]、[16]以及其尺寸和比例[17]、[18]来提升Ti2AlNb基合金的力学性能。Cai等人[15]发现，球磨处理能够形成柱状O相，从而提升合金的力学性能。Li等人[16]则发现，通过在对热锻态Ti2AlNb合金先进行α2+B2双相区的固溶处理，再在O+B2双相区进行时效处理，可以同时提升该合金在室温和高温下的延展性。Zhou等人[17]研究了Ti2AlNb合金的微观结构与性能之间的关系，他们的研究结果表明，提升合金性能的关键在于控制初级和次级O相的尺寸与比例，这样才能显著改善其性能。Fu等人[18]利用晶体塑性有限元模拟方法，研究了O相的分布和尺寸如何影响Ti2AlNb合金的断裂特性，他们的分析表明，O相的粗化会导致O/B2界面处的应力和应变升高，从而使裂纹更易萌生。此外，为了调控Ti2AlNb合金的形态以及强度与韧性的平衡，还有不少研究致力于探究O相的变形机制。例如，人们已经在不同温度条件下研究了O相的滑移系以及可能的孪晶类型，如{021}、{110}和{130}孪晶[19]、[20]、[21]、[22]。

目前，关于Ti2AlNb基合金变形行为的研究主要集中在高温压缩试验（通常温度高于400℃，此时动态再结晶主导着材料的流动行为）或室温拉伸试验（此时材料的延展性有限，难以产生较大应变）上[7]、[13]、[14]、[21]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。相比之下，板材在室温下的压缩行为，尤其是在应变超过材料拉伸延展性时的行为，至今仍未被深入研究。尽管人们对Ti2AlNb合金的变形机制已经有了较为全面的研究，包括室温下O相的滑移和孪晶现象[21]，以及O相通过孪晶作用在高温下的软化现象[29]，但此前还没有任何研究（无论是压缩还是拉伸试验）报道过这种合金体系在室温下先发生应变硬化后又出现软化的现象。另外，参考文献[30]展示了β-Ti合金在室温下的应变软化现象，即材料在屈服后立即发生软化，没有先期硬化阶段，这一现象与本研究中观察到的先硬化后软化的现象有显著区别。在实际使用中，结构材料往往要承受复杂的载荷，而压缩是其中最常见的应力形式。室温下的压缩行为直接关系到材料的使用安全性和可靠性。值得注意的是，由于板材的高度与直径之比较低，其压缩变形时可以达到更大的真应变而不会发生断裂，这使得一些在拉伸条件下无法观察到的变形机制得以显现。我们最近的研究（即本研究）表明，在单轴压缩作用下，Ti2AlNb合金板材在出现裂纹之前的真应变可达约0.9，这一数值远远高于该合金在室温下进行拉伸变形时的最大真应变值（约0.09）[21]。如此大的应变范围使得我们能够观察到在拉伸条件下不存在的变形机制，比如由位错缠结形成的有序低角度晶界，以及由位错团引发的晶粒破碎现象。我们的初步研究结果还表明，在室温下进行大应变压缩时出现的先硬化后软化现象，在那些仅在室温下会发生硬化的传统结构材料中并未被观察到。因此，深入研究Ti2AlNb基合金板材在室温下单轴压缩过程中的变形行为并阐明其内在机制，对于优化合金成分设计、调控微观结构以及提升工程应用的安全性具有重要的理论和实际意义。

鉴于上述研究空白，本研究以Ti-22Al-24Nb-0.5Mo合金板材为研究对象。通过在不同温度下进行退火处理，得到具有不同微观结构状态的板材，随后对其进行了室温单轴压缩试验。结合微观表征技术，深入分析了合金在压缩过程中的宏观力学行为以及微观结构的演变规律。本研究的创新之处在于，它聚焦于材料初始应变硬化后再软化的典型力学响应，并系统地揭示了其背后的微观机制。这些研究成果可以为改进Ti2AlNb基合金的加工工艺、优化其性能以及推动其工程应用提供理论支持。

章节节选

实验部分

本研究以宝鸡钛业有限公司生产的商业退火热轧板材为原料，该板材的化学成分为Ti-22Al-24Nb-0.5Mo（原子百分比），厚度为2.5毫米。首先将原始板材切割成四部分，如图1(a)所示。随后，将其中的三部分分别置于真空管式炉中，在650℃、900℃和1020℃下各退火20分钟，而剩下的那部分则保持原始状态。

结果部分

图3展示了原始状态样品的EBSD分析结果。从图3的(a)-(d)可以看出，该样品由三种相组成，其中O相是主要成分，而α2相则相对较少。大多数晶粒呈板条状，其中还嵌有一些等轴晶粒。该样品具有细小的晶粒结构，平均晶粒尺寸仅为0.78微米。由于热轧过程的影响，高角度晶界的比例约为72.7%。

退火温度对微观结构特征的影响

根据图3、图4、图5和图6的研究结果可知，在四种具有不同退火状态的样品中，O相和B2相合计占据了微观结构的80%-90%，而这四种样品的压缩性能差异主要由这两种相的比例及其特性决定。因此，接下来将探讨退火温度对这两种相微观结构特征的影响。

结论

通过EBSD和TEM实验分析，本研究探究了不同温度下退火处理的Ti-22Al-24Nb-0.5Mo合金板材在室温单轴压缩过程中出现应变硬化后又软化的微观结构根源。本研究的主要结论如下：

• (1)
  退火温度会显著影响Ti22Al24Nb0.5Mo合金板材的微观结构。在研究中未观察到{110}孪晶或其他类型的孪晶。

作者贡献说明

吴云政：论文撰写——初稿撰写、数据可视化、实验分析、数据整理。蒋书勇：论文撰写——审阅与编辑、实验指导、方法设计、概念构思。

数据可用性

相关数据可应要求提供。

资金来源

本研究未获得任何公共机构、商业机构或非营利组织提供的资助。

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关系或个人关系。

吴云政|蒋书勇

中国太原理工大学材料科学与工程学院，太原030024