51d材料的屈服强度（中南大学MSEA新工艺）

编辑推荐：强度与韧性的平衡一直是阻碍钛合金应用前景的关键问题。为解决这一问题，本文采用深冷轧制结合短周期真空退火的方法对Ti-6Al-4V钛合金进行热处理，与近年来报道的其他轧制型钛合金相比达到最高。在低温轧制Ti-6Al-4V薄板短周期退火过程中，细小β相颗粒的钉扎效应和α-β晶粒间的竞争机制抑制了晶粒的粗化。同时，部分回复和再结晶使超细晶和微晶相结合。退火后剪切带组织减弱，为断裂前均匀变形提供了更有利的条件，有利于韧性的增强。该方法适用于大规模工业生产高强度、高韧性的Ti-6Al-4V合金，也可应用于其他类型的钛合金。

轧制钛合金薄板比其他塑性变形的钛合金具有更大的工业应用潜力。与热轧和冷轧相比，深冷轧制（CR）可以显着细化晶粒并引入额外的位错，通过抑制塑性变形过程中的动态恢复来加强材料。而EL随着屈服后加工硬化而迅速下降。然而，很少有关于开发一些方法以提高钛合金强度而不牺牲其塑性的报道。退火工艺可以增加轧制钛合金的延展性，最近一些纯钛板的报道表明，冷轧结合后续退火可以有效地调整组织，获得高强度和高塑性。然而，目前还没有关于CR钛合金在<0.5Tm(熔化温度)下进行短周期退火以获得高强度和高韧性的报道。

来自中南大学的喻海良团队研究了Ti-6Al-4V板材深冷轧制及后续短周期真空退火过程中组织演变规律，建立组织与力学性能之间的关系。此外，从相分布和局部剪切带的发展等方面讨论了Ti-6Al-4V板材的塑性变形行为。相关论文以题“High strength and toughness of Ti–6Al–4V sheets via cryorolling and short-period annealing”发表在Materials Science & Engineering A。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.143766

图1 EBSD得到Ti-6Al-4V样品的反极图、相分布和晶粒分布。

原始组织由等轴α晶粒和短棒β晶粒组成，CR后，晶界处分布着细长的β晶粒。随着后续退火温度的升高，晶粒逐渐长大，并表现出明显的球化行为。随着退火温度的升高，HAGBs逐渐增加，LAGBs主要分布在晶粒中，LAGBs可以在一定程度上表征材料中的位错水平。973 K退火后，位错密度仍然很高，这是保持样品高强度的关键。

图2 室温单轴拉伸试验分析后的折线图。

CR后试样的UTS增加，而EL明显降低；在随后的退火过程中，UTS先升高后降低，而EL则相反。加工硬化速率可以看出，CR和CR-573 K试样在塑性变形开始后，加工硬化速率迅速降低至0。随着退火温度上升到673 K以上，加工硬化速率逐渐增加。由于热处理的保温时间短，在973 K下退火的样品硬度与CR样品相似，表明保持良好的热稳定性。

图3 Ti-6Al-4V试样在拉伸断口附近的纵向组织

CR样品中，微孔主要沿剪切带分布。在剪切带中部可见微空洞延伸和裂纹扩展，剪切带也相互交错，导致断裂的锯齿状形貌。当退火温度低于773 K时，剪切带不稳定导致微孔快速成核和膨胀，降低了试样的塑性。当退火温度达到973 K时，基体中剪切带结构的分布被稀释，而且，微孔在拉伸变形过程中的形成更加随机，裂纹的形核和扩展变得更加困难，塑性也得到了提高。

图4 不同试样的断裂模式示意图。

由于大量的位错、亚晶等亚结构倾向于聚集在CR后形成的局部剪切带中，因此在这些区域通常存在应力集中和开裂。此外，细β相与剪切带中α相之间的弱界面也是裂纹更容易成核的地方。在拉伸变形过程中，剪切带的运动受到β相或晶界的阻碍，导致大量的局部应力。裂缝和空隙在这些位置迅速成核和传播，最终导致断裂。随着退火温度的升高，在高变形储能区中会发生优先回复、成核和结晶，从而改善微观结构均匀性。因此，裂纹和空隙的成核更加随机，样品可以承受更大的变形并表现出优异的塑性。

图5 比较与其他轧制钛合金性能

该材料通常以牺牲延展性为代价获得更高的强度，文章比较了轧制方法制备的一些典型钛合金的机械性能。CR和随后的真空退火制备的Ti-6Al-4V片具有更好的强度和延展性组合。

通常，经历过严重塑性变形的金属表现出更高的强度，但其EL和加工硬化率降低。在较高温度下退火后，低位错密度和异质组织界面为加工硬化提供了足够的空间，增强了延展性。从工业制造的角度来看，结合工艺强化低合金钛合金可能是未来大规模生产更经济可行的方法。（文：晓太阳）

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