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Ti20Zr6.5Al4V合金的显微组织及变形机制研究

张兵  
【摘要】:传统钛合金和锆合金强度均较低,使其应用范围的进一步扩展受到很大限制。为此,近些年来科研人员开发出了一系列新型的钛锆基合金,其中Ti20Zr6.5Al4V合金在保持传统钛合金高比强度的同时,强度大幅提高,有望作为航天器的结构件制造材料。科研工作者对Ti20Zr6.5Al4V合金进行了密集的研究,涵盖了很多方面,然而到目前为止对该合金显微组织和形变机理的研究仍显不足,不利于这一优秀材料性能的进一步发挥。本文对Ti20Zr6.5Al4V合金分别进行了时效和退火处理,研究了不同合金状态下的微观组织对力学性能的影响,并对具有优良综合力学性能的退火态Ti20Zr6.5Al4V合金在不同方向上的力学性能差异进行了研究。最后,对退火态Ti20Zr6.5Al4V合金以及与其具有成分相似性的Ti6Al4V合金和物相结构相似性的纯Zr在单轴拉伸和单轴压缩变形过程中的显微组织和形变机理进行了对比研究。研究结果表明:Ti20Zr6.5Al4V合金经过450℃2 h的时效处理后,获得了超高的1730 MPa的抗拉强度和2.3%的低延伸率;而经过750℃2 h退火处理后则具有1235 MPa的抗拉强度和10.8%的延伸率。在时效态下合金由α相单相组成;在退火态下则由α+β双相组成,α相和β相的体积分数分别为87.3%和12.7%。时效处理形成了细小的条片状的初生α相(α_p)和弥散分布于α_p之间超细的二次α相(α_s)的结构,这种结构能起到细晶强化和弥散强化作用,从而大幅增强时效态合金的强度。在原始β晶界上析出的具有相似取向的层片状α板条会引起应力集中,并导致裂纹的萌生和扩展,从而影响时效态合金的塑性。合金中α相的硬度要高于β相。退火处理在Ti20Zr6.5Al4V合金中形成了β相均匀分布于α板条之间的结构,这种结构大大增加了单位面积内α/β相界面的比例。这些相界面的出现对位错的运动起到了很好的钉扎和阻碍作用,此外,β相比α相具有更好的塑性变形能力,这些因素导致了退火态合金塑性的提高。同时,在退火过程中晶粒的长大以及较软的β相的出现导致了退火态合金强度的下降。退火态的Ti20Zr6.5Al4V合金在不同的方向上展现出了奇特的力学性能差异,即抗拉强度基本保持不变,而延伸率则剧烈变化。在拉伸变形过程中,原始β晶界旁分布的具有相似取向的α板条会显著影响裂纹的萌生和扩展。裂纹易在原始β晶界处萌生,沿着原始β晶界扩展,并能穿过一些具有相似取向的α板条的聚集区。这种裂纹萌生和扩展机制导致了退火态Ti20Zr6.5Al4V合金在不同的方向上展现出延伸率各向异性。退火态Ti20Zr6.5Al4V合金在单轴拉伸和单轴压缩过程中发生塑性变形时,变形以滑移的方式进行,孪晶的形成受到了抑制。在拉伸变形过程中锥面a滑移系、锥面c+a滑移系、柱面滑移系均可以被激活,而基面滑移系的启动则受到抑制。单轴压缩变形过程中,锥面a滑移系和基面滑移系都可以被激活,而柱面滑移系和锥面c+a滑移系的启动则受到抑制。Zr的添加抑制了Ti20Zr6.5Al4V合金中变形孪晶的形成,使得Ti20Zr6.5Al4V合金塑性变形时,只能以滑移的方式进行。Zr的添加对Ti20Zr6.5Al4V合金中滑移系的启动产生了影响,促进了锥面a滑移系的启动。


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