构建多尺度晶粒结构增强钛的强度和延展性.pdf

构建多尺度晶粒结构增强钛的强度和延展性邱星宇曹丽丽刘 彬郭伟彬方红梅(.浙江科技学院 机械与能源工程学院浙江 杭州.浙江蓝剑检测技术有限公司浙江 杭州)摘 要:本文利用低温冷轧和低温退火成功制备了具有多尺度晶粒结构的商用钛 多尺度晶粒结构钛具有 屈服强度均匀伸长率为 拉伸断裂伸长率为 多尺度晶粒结构钛强度的提高主要是因为存在超细等轴晶粒而延展性的提高主要是因为存在大量的大角晶界()和多尺度晶粒结构关键词:高强度延展性钛多尺度结构中图分类号:.文献标志码:./.(.):.().:收稿日期 作者简介 邱星宇()男硕士研究生研究方向为高性能金属材料通信作者 方红梅()女高级工程师硕士生导师基金项目 浙江省重点研发计划项目()引 言与粗晶粒材料相比大块纳米晶()和超细晶粒()金属具有优异的强度但是延展性较差 在拉伸变形中通常可以观察到工程应力应变曲线在拉伸应变较小时达到最大峰值随着局部变形的增加最终导致失效破坏从而应力急剧下降 限制 和 金属材料延展性和均匀伸长率的一个主要因素是塑性不稳定性如塑性变形早期阶段的颈缩现象或剪切带的产生 和 金属材料在塑性变形过程中变得不稳定的这种趋势与应变硬化能力下降有关 高强度 和 金属材料需要相对较高的应变硬化率来稳定塑性变形提高材料的应变硬化率有助于提高 和 金属材料的延展性 目前已经有在 面心立方金属中获得优异强度和延展性的成功例子但其他晶体结构的金属(如、)被研究较少特别是涉及到六方紧密堆积()金属的孪晶变形除了位错滑移过程孪晶在具有较少滑移系统的 结构金属塑性变形中发挥着重要作用 通过霍尔佩奇()硬化机制孪晶减少了有效滑移距离并增加了应变硬化率 本文的研究有两个研究目的:()开发一种工艺制备出具有高延展性和高强度的商用钛()揭示钛的高延展性变形机制 试验程序试验材料选用有完全再结晶微观结构和平均晶粒尺寸约为 的商用钛板 试验分两批进行 第一批将钛板以 的应变速率从 的厚度冷轧到 每一次的减量为 第二批将样品进行低温轧制每次轧制前将样品浸入到液氮中冷冻 冷冻后的样品温度接近液氮温度然后再以与冷轧相同的工艺进行轧制为了研究退火对微观结构和机械性能的影响将低温轧制后的样品分成 批分别放入马弗炉中在、下保温 再随炉冷却到室温(退火处理)使用透射电子显微镜()在样品横向()取样 下观测退火前和退火后样品的显微结构为了测量机械性能将所有的样品都加工成 大小的横截面并进行抛光处理测量长度为 室温条件下在 试验机上对样品进行拉伸试验应变速率为 拉伸方向与样品的滚动方向()平行 结果与讨论图 是处理后的钛样品横切面的透射电镜显微图 冷轧钛的显微结构显示出高密度的位错主要以位错单元结构的形式存在如图()所示 与冷轧钛相比低温轧制钛具有更高密度的位错并以纳米级网络的形式分布在变形基体中如图()所示 液氮温度下的低温轧制抑制了动态回复和再结晶因此巨大的缺陷密度和冷加工能在轧制过程中被储存起来有利于在之后的退火过程中大量的晶粒成核低温轧制样品在 下退火 后位错密度明显降低 由于位错的重排其微观结构主要由细长的亚晶粒组.工程与试验 .成如图()所示 进一步将退火温度提高到 可以形成尺寸为 的等轴晶粒如图()所示 可以看出图()中的一些晶粒边界尖锐而明显相邻晶粒之间对比明显表明其为大角晶界()需要注意的是大量的晶界和亚晶界保持着较小的错向角这在透射电镜中倾斜样品时很容易发现在 下退火粗晶粒嵌在细基体中如图()所示分析同一样品的几张暗场透射电镜图像发现晶粒尺寸分布非常宽广图()中样品的粒度分布如图 所示 大约的微结构是由平均尺寸为 的纳米晶粒或超细晶粒组成的而其余晶粒的尺寸从几百纳米到 不等 从上述微观区域得到的选定区域衍射()图案显示出明显的环状图案(见图()的右上角小图)表明由 分隔的晶粒比例很高 在 退火 后大多数 的等轴晶粒显示出再结晶和无位错的粗晶粒特征而少数等轴晶粒仍然保留着高密度的位错如图()所示()冷轧()低温轧制()低温轧制退火()低温轧制退火()低温轧制退火()低温轧制退火 图 加工后的钛样品横向截面的 显微照片图 低温轧制退火 后样品的粒度分布 图 是这些样品的工程应力应变曲线 经过 的低温轧制 屈服强度大大高于冷轧样品的屈服强度而断裂伸长率则明显下降 样品在 下退火 后其工程应力应变曲线仍然在较小的拉伸应变下达到峰值然后立即急剧下降 由于动态回复和部分再结晶的晶粒屈服强度略有下降断裂伸长率大大增加 通过 低温轧制退火 的处理得到屈服强度为 均匀伸长率为 的应变加工硬化区域断裂伸长率约为 在 退火 后均匀伸长率保持不变仍与在 下退火的样品相同而屈服强度明显降低图 加工后样品的拉伸工程应力应变曲线本研究结果表明采用本文的处理方法可以实现钛中的多尺度晶粒结构 拉伸试验结果与其他文献 研究结果的比较见表 工程与试验 .从表 可知采用低温轧制结合退火处理的钛样品极限拉伸强度达到 虽然略低于等通道转角挤压冷挤压处理的样品的极限拉伸强度()但是断裂伸长率却得到了极大的提升从 增加到 同时本研究样品的屈服强度高达 超过目前大多数通过大变形细化晶粒样品所达到的数值 表 说明本研究采用的低温轧制加热处理工艺可以实现钛机械性能的综合提升表 本研究的拉伸试验结果与其他文献研究结果的比较工艺条件极限拉伸强度()屈服强度()断裂伸长率()本文研究低温轧制退火文献等通道转角挤压高压扭转文献等通道转角挤压文献等通道转角挤压冷挤压文献高压扭转文献等通道转角挤压文献低温研磨静态等压锻造 冷轧样品的强度增强主要是因为存在超细等轴晶粒 均匀伸长率的提高是由于应变硬化的改善以及位错积累 分析显示低温轧制 退火样品中的位错密度从 增加到 增加了 相比之下低温轧制样品中的位错密度从 增加到 只增加了 以下因素有助于提高低温轧制 退火样品中的位错存储能力 第一晶粒尺寸的多尺寸分布导致这些晶粒在复杂应力状态下变形复杂的应变模式和位错积累有利于提高位错存储能力从而改善应变硬化 第二在拉伸试验期间粗晶粒的变形孪晶的形成也可能是改善应变硬化的原因 对 变形样品的粗晶粒 观察显示偶尔存在几个平行孪晶集群以及单个狭窄变形孪晶同时伴随着细小晶粒基体和具有较高位错密度的孪晶 大部分孪晶在单个粗晶粒中发展有一些孪晶则穿过 个或 个相连的粗晶粒(如图()和图()所示)根据相关资料 的变形模式在低应变水平上最初是孪晶在高应变水平上改变为位错滑移 在低拉伸应变下粗大晶粒中引发的变形孪晶可以有效地增加应变硬化这是因为孪晶和位错之间的相互作用降低了有效滑移距离防止位错在高拉伸应变水平下移动到晶界上并消失 第三一般 的存在是提高 金属均匀伸长率的有效方法 观察表明低温轧制退火的样品具有高比例的 更有利于阻挡位错滑移导致位错在晶界纠缠和聚集如图()所示()孪晶穿过两个连接的粗晶粒()孪晶和晶粒基体中积累的高密度位错()中标记区域的高倍镜图像插图显示了孪晶的 模式)()位错在晶界上纠缠和聚集(箭头表示位错)图 低温轧制退火 样品在 拉伸应变后的显微结构 结 论本研究证明了利用多尺度晶粒结构提高 塑性和强度的可行性 通过细化晶粒和构建 中多尺度晶粒结构的晶粒大小分布可以达到 的屈服强度和 的均匀伸长率 样品强度的提高主要是因为存在超细等轴晶粒而延展性的提高是由于存在大比例的 和多尺度晶粒结构 特别是在低应变变形过程中 结构材料中普遍存在于粗晶粒中的孪晶为位错在孪晶边界的聚集提供了空间因此提高了材料的应变硬化参考文献 .():.(下转第 页).邱星宇等:构建多尺度晶粒结构增强钛的强度和延展性()对改进后的传输路径进行了二次优化充分考虑设备资源配置和试验经济性为试验设备资源保障留有余地参考文献崔明左佳韩凯.标识信息采集系统在智能应变测量中的开发.微型机与应用():.刘君华.智能传感器系统.西安:西安电子科技大学出版社.徐晗陈灼民武松涛.电阻应变测量方法浅析.测控技术():.乔社娟邓利红王成等.应变测试系统分流校准方法设计.测控技术():.何红丽.飞行试验智能化工程测量系统.测控技术():.(上接第 页).():.():.钟良伟张小东.基于多向锻造()技术成形超细晶钛合金相关研究.中国金属通报():.:.:.:.:.():.:.邬开朱林利.双模态纳米孪晶金属材料的力学性能研究.中国科技论文():.():.():.():.():.():.():.():.():.():.():.():.工程与试验欢迎投稿投稿邮箱:.或 .联 系 人:王暖春 联系电话:欢迎订阅欢迎刊登广告联 系 人:孙松野联系电话:工程与试验 .