動(dòng)態(tài)加載時(shí)β 鈦合金馬氏體相變研究①

鐘艷梅， 汪冰峰，， 丁 旭， 張曉泳， 樊 凱， 馮抗屯， 謝 靜， 王海鵬， 雷家峰

(1.中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙410083； 2.中南大學(xué) 粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙410083； 3.湖南金天鈦業(yè)科技有限公司,湖南 常德413000；4.中航飛機(jī)起落架有限公司,湖南長(zhǎng)沙410083；5.中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)德陽(yáng)萬(wàn)航模鍛有限責(zé)任公司,四川 德陽(yáng)618000；6.西安三角防務(wù)股份有限公司,陜西 西安710089； 7.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所,遼寧 沈陽(yáng)110016)

β 鈦合金具有較高的比強(qiáng)度、比剛度和良好的耐腐蝕性,滿足輕量化、長(zhǎng)壽命、高可靠性的設(shè)計(jì)要求［1-3］,從而被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域［4-6］。 β 鈦合金性能和使用壽命的進(jìn)一步提高一直是材料科學(xué)家追求的目標(biāo),但是目前的研究主要集中于β 鈦合金在準(zhǔn)靜態(tài)條件下響應(yīng)［7-8］。 然而,β 鈦合金作為一種大型結(jié)構(gòu)構(gòu)件,不僅要承受準(zhǔn)靜態(tài)載荷,而且在許多情況下也要承受動(dòng)態(tài)載荷,如飛機(jī)起落架［9-10］。 在動(dòng)態(tài)載荷下,高應(yīng)變速率沖擊對(duì)結(jié)構(gòu)件的壽命和性能有著至關(guān)重要的影響。 因此,有必要對(duì)β 鈦合金的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為和微觀組織進(jìn)行研究。 本文研究了Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe β 鈦合金在動(dòng)態(tài)載荷下的力學(xué)響應(yīng),并討論了應(yīng)變速率對(duì)動(dòng)態(tài)加載時(shí)Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe β 鈦合金馬氏體相變的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)原材料為金天鈦業(yè)生產(chǎn)的鍛造狀態(tài)的Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe 鈦合金,其化學(xué)成分見表1。 將原材料在920 ℃下保溫2 h 后用水淬火,得到Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe β 鈦合金。 處理后材料的微觀結(jié)構(gòu)如圖1 所示,Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe β 鈦合金只含有單一β 相,β 晶粒平均尺寸約為600 μm。

表1 Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe 鈦合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/%

圖1 Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe β 鈦合金的原始微觀組織

將固溶處理后的Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe β 鈦合金制成尺寸為Φ 6 mm × 7.2 mm 的圓柱形試件,并采用分離式霍普金森壓桿(SHPB)進(jìn)行高應(yīng)變速率沖擊壓縮試驗(yàn)。 SHPB 的壓桿材料為優(yōu)質(zhì)合金鋼,其彈性模量為200 GPa,直徑14.5 mm,密度7 800 kg/m3。 表2 列出了所有試樣的動(dòng)態(tài)變形條件。 1＃～4＃樣品不加控制環(huán)進(jìn)行沖擊變形,通過對(duì)真應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行積分計(jì)算出每個(gè)樣品的沖擊能。 為了研究應(yīng)變速率對(duì)顯微組織的影響,對(duì)5＃和6＃樣品采用控制環(huán)來獲得與4＃樣品相同的真應(yīng)變,應(yīng)變值為0.108。 圓柱形樣品在動(dòng)態(tài)加載變形過程中的真應(yīng)力、應(yīng)變速率、真應(yīng)變可通過入射信號(hào)、透射信號(hào)計(jì)算得出。

表2 樣品的動(dòng)態(tài)加載條件

將動(dòng)態(tài)變形后的試樣沿軸向切割,用金相砂紙打磨、拋光樣品表面后,采用5 mL HF＋10 mL HNO3＋85 mL H2O 溶液進(jìn)行侵蝕,隨后在POLYVAR-MET 光學(xué)顯微鏡(Inspiratech 2000 Ltd,英國(guó))下觀察顯微組織。 用金相砂紙打磨樣品后,采用5 mL HClO3＋95 mL C2H5O溶液對(duì)樣品進(jìn)行電解拋光,隨后在EVOMA10 掃描電子顯微鏡(ZEISS,德國(guó))上觀察,工作電壓為20 kV。EBSD 的數(shù)據(jù)采用Orientation Imaging Mcroscopy TSL 軟件(EDAX Inc,美國(guó))進(jìn)行分析。 沿動(dòng)載方向?qū)⒃嚇忧谐?.3 mm 厚的薄片,用50 mL HClO3＋350 mL C4H10O ＋600 mL CH4O 溶液對(duì)切片進(jìn)行電解雙噴,然后在TECNAI G2 20ST 透射電子顯微鏡(FEI,荷蘭)上觀察,工作電壓為200 kV。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 β 鈦合金的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

圖2 描述了Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe β 鈦合金動(dòng)態(tài)變形過程中的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)。 5＃和6＃樣品由于在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)過程中增加了止動(dòng)環(huán)而無(wú)法給出其真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。 由圖2 可知,β 鈦合金的沖擊能隨著應(yīng)變速率增加而逐漸增加；β 鈦合金的屈服強(qiáng)度隨應(yīng)變速率和沖擊能增加而增加,當(dāng)應(yīng)變速率為1 600 s-1時(shí),屈服強(qiáng)度可達(dá)1 250 MPa。

2.2 β 鈦合金動(dòng)態(tài)加載后的微觀組織

圖3、圖4 分別為不同動(dòng)態(tài)沖擊能、不同應(yīng)變速率下的Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe β 鈦合金的光學(xué)顯微照片。 由圖3 可以看出,在原始的β 晶粒中出現(xiàn)了大量的平行或交錯(cuò)的針狀組織,并且針狀組織含量隨著沖擊能量增加而增加。 圖4 中3 個(gè)樣品的真實(shí)應(yīng)變值是相同的,但應(yīng)變速率不同,可以看出,針狀組織的含量隨應(yīng)變速率提高而增加。

圖2 Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe β 鈦合金的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

圖3 Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe β 鈦合金在不同沖擊能條件下的光學(xué)顯微圖片

圖5 為Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe β 鈦合金動(dòng)態(tài)加載后的微觀組織。

從圖5(a)可以看到,平行的板條狀馬氏體從晶界處開始向晶粒內(nèi)部生長(zhǎng),將原始粗大的β 晶粒進(jìn)行分割,實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化。 圖5(b)和(c)中白色區(qū)域代表β相,黑色區(qū)域代表由動(dòng)態(tài)載荷產(chǎn)生的馬氏體相,顯然,在1 600 s-1的應(yīng)變速率下形成的馬氏體比在1 100 s-1的應(yīng)變速率下形成的馬氏體更多,這與圖3 和圖4 中觀察到的結(jié)果相同。

圖4 Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe β 鈦合金在不同應(yīng)變速率條件下的光學(xué)顯微圖片

圖6 為變形前后β 鈦合金原始組織的明場(chǎng)電子顯微照片和衍射斑點(diǎn)。 β 鈦合金原始組織為BCC 立方結(jié)構(gòu)。 β 鈦合金動(dòng)態(tài)變形后β 晶粒中產(chǎn)生寬度約0.3 μm 的平行板條馬氏體,馬氏體的面積分?jǐn)?shù)隨著應(yīng)變速率提高而增加。

圖5 Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe β 鈦合金變形后樣品的EBSD 分析

圖6 Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe β 鈦合金變形前后的明場(chǎng)電子顯微照片和衍射斑點(diǎn)

3 討 論

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,動(dòng)態(tài)變形后的Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe β 鈦合金中會(huì)出現(xiàn)大量平行的板條狀馬氏體。 對(duì)圖3 和圖4 的金相照片進(jìn)行數(shù)字化處理,統(tǒng)計(jì)給定面積內(nèi)的馬氏體相的占比,得到?jīng)_擊能、應(yīng)變速率與馬氏體含量關(guān)系曲線見圖7。 由圖7 可以看出,馬氏體含量隨著沖擊能和應(yīng)變速率增加而增加。 圖8 顯示出了馬氏體含量對(duì)Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe β 鈦合金的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度的影響。 由圖8 可知,隨著應(yīng)變速率增加,馬氏體含量增加,從而提高了β 鈦合金強(qiáng)度。 因此,在動(dòng)態(tài)沖擊下,應(yīng)變速率對(duì)Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe β 鈦合金的馬氏體相變起重要作用。

圖7 馬氏體含量與應(yīng)變速率和沖擊能量的關(guān)系

圖8 馬氏體含量對(duì)β 鈦合金屈服強(qiáng)度的影響

文獻(xiàn)［11］指出應(yīng)變速率對(duì)馬氏體相變的影響是非單調(diào)的,而是2 個(gè)因素的結(jié)合:熱效應(yīng)和正效應(yīng),可以表示如下:

式中εα和?ε 分別為真實(shí)應(yīng)變和應(yīng)變速率； α 和T 分別為材料常數(shù)和絕對(duì)溫度；fβ為瞬時(shí)保留的基體的體積分?jǐn)?shù)；s(?ε)和t(T,?ε)分別為應(yīng)變速率對(duì)馬氏體相變的正效應(yīng)和熱效應(yīng)。 鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)很小,幾乎所有的熱效應(yīng)都是由試樣中存儲(chǔ)的沖擊能引起的。 當(dāng)應(yīng)變速率的增加使系統(tǒng)達(dá)到絕熱狀態(tài)時(shí),熱效應(yīng)幾乎保持恒定,由應(yīng)變速率引起的溫度升高幾乎不會(huì)增加,即t(T,?ε)不再增加。 與此同時(shí),根據(jù)公式(3)［12］可知,應(yīng)變速率增加會(huì)使Zener-Hollomon 參數(shù)也增加,馬氏體相變吉布斯自由能不斷減小,馬氏體形核點(diǎn)數(shù)量增加,從而促進(jìn)馬氏體的產(chǎn)生。 這是應(yīng)變速率引起的正效應(yīng)起作用。 因此,在高應(yīng)變速率變形過程中,應(yīng)變速率引起的正效應(yīng)在馬氏體相變中起主導(dǎo)作用,馬氏體含量隨應(yīng)變速率增加而增加。

式中Q 為熱激活能；R 為氣體常數(shù)；T 為絕對(duì)溫度。

Aksakal［13］和Davies［14］等人在雙相鋼的研究中,發(fā)現(xiàn)馬氏體的體積分?jǐn)?shù)是控制雙相鋼強(qiáng)度和延性的主要因素。 這主要是由于:①馬氏體相本身是高強(qiáng)度相；②馬氏體的產(chǎn)生對(duì)位錯(cuò)滑移有釘扎作用,從而提高了屈服強(qiáng)度。 所以在動(dòng)態(tài)變形過程中,隨著馬氏體含量增加,鈦合金屈服強(qiáng)度會(huì)隨之增加。

4 結(jié) 論

1) Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe β 鈦合金的屈服強(qiáng)度隨應(yīng)變速率和沖擊能增加而增加,應(yīng)變速率為1 600 s-1時(shí)β 鈦合金屈服強(qiáng)度可達(dá)到1 250 MPa。

2) Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe β 鈦合金在動(dòng)態(tài)沖擊下發(fā)生馬氏體相變,沖擊誘發(fā)的馬氏體面積分?jǐn)?shù)隨應(yīng)變速率和沖擊能增加而增加。

3) 在高應(yīng)變速率變形過程中,應(yīng)變速率引起的正效應(yīng)在馬氏體相變中起主導(dǎo)作用,應(yīng)變速率增加會(huì)使Zener-Hollomon 參數(shù)增加,馬氏體相變吉布斯自由能不斷減小,馬氏體形核點(diǎn)數(shù)量增加,從而促進(jìn)馬氏體的產(chǎn)生。