Ti-6Al-4V（TC4）是使用最广泛的钛合金之一，具有较高的比强度，良好的疲劳和断裂性能，优异的耐腐蚀性和生物相容性。它还具有良好的高温性能，被广泛用于航空发动机零件，机架和燃气轮机叶片等。对该合金进行不同的热机械加工会改变其微观结构和晶体学织构，以获得最佳的机械性能。现有研究发现纯钛中位错的平均自由程与材料的强度有一定关系，但是在TC4上的影响机制还没有得到证实。
印度理工学院针对TC4合金研究了在不同温度下单轴压缩过程中材料的显微组织、织构、位错平均自由程和力学性能的演变机理。相关论文以题为“Microstructure, texture, mean free path of dislocations andmechanical properties of Ti-6Al-4V alloy during uniaxial compression atelevated temperatures”于3月3日发表在Materials Science & EngineeringA。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0921509320301301
研究人员选取不同温度和不同压缩量进行单轴压缩试验。研究发现TC4合金在298K和673K温度下变形时发生了明显的晶粒细化，在其研究的所有变形温度下，在特定方向的晶粒中都观察到了变形带。这些变形带起源于晶界，并逐渐向晶粒内部发展，晶界附近的变形带能够促进晶界的位错活动和母体晶粒内形变孪晶的形成。还观察到形变孪晶在晶粒内部成核，即在变形带和母晶粒之间的边界处。细化晶粒的机制为变形过程中，孪晶或极低角度边界（VLAGBs）逐渐过渡到低角度边界（LAGBs）并最终转变为高角度晶界（HAGBs）。随着温度的增加，孪晶对晶粒细化的影响减弱，位错的平均自由程持续增加。
图1 不同温度不同压缩量下合金的IPF图
图2室温变形样品的不同类型的晶界IPF图
在从室温到高温的变形过程中，合金发生了硬化，但硬化速率随温度而变化。流变应力随应变的增加归因于材料中位错含量的增加或位错平均自由程的减少。在室温下变形的样品硬化值先随应力的增加而降低，后随应力的增加而上升。在高温下变形的样品仅显示出硬化值随应力值的增加而下降。在673K的温度下，硬化值随应力的降低速率最大，此温度下孪晶含量最高，因为孪晶可以细化晶粒尺寸并促进位错的错位。所以孪生分数增加，则硬化速率应降低。将TC4与纯钛对比发现，TC4合金的位错平均自由程更低，与位错-位错相互作用相比，位错-溶质相互作用占主导地位，这种位错-溶质相互作用是压缩过程中TC4合金强度增加的原因。
图3在298K下单轴压缩后晶粒内部的变形带
图4 673K温度下变形后含有变形带的晶粒的放大IPF图
综上所述，研究人员分析了TC4合金不同温度下变形的微观结构，织构，位错平均自由程和力学性能的演变。解释了织构的转变机理，发现位错的平均自由程在室温下变形时减小。随着变形温度的升高，位错的平均自由程增加。在673K下的变形，硬化率的降低较大，能够获得更高的强度。本研究为钛合金在热机械加工中的组织演变和性能影响提供了理论基础。
来源：材料科学与工程公众号
