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北航《Scripta Mater》:6.1GPa超高应变硬化率的新型钛合金!

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导读:本文基于应力诱发β→α′马氏体相变设计了一种新型的TRIP/TWIP钛合金,主要变形机制为应力诱发β→α′马氏体相变、ω逆转变和α′马氏体机械孪晶,赋予了该钛合金6.1GPa的超高应变硬化率,为设计新型TRIP/TWIP钛合金提供了新的思路。

钛合金因高比强度、低密度等优点在先进制造领域得到越来越广泛的应用,但传统高强度钛合金一般塑性较低,应变硬化效应不明显。近年来,研究人员利用相变诱发塑性(TRIP)和孪晶诱发塑性设计制备了一系列具有高应变硬化率的高强度高塑性TRIP/TWIP钛合金,实现了钛合金强度和塑性的同步提升。TRIP/TWIP钛合金的主要变形机制为应力诱发β→α″马氏体相变、{332}<113> 和{112}<111>机械孪晶,主要靠孪晶界或相界强化,即动态Hall-Petch效应获得高的应变硬化率。但α″马氏体和β孪晶本身较软,所能提供的硬化效果有限,使得目前的TRIP/TWIP钛合金的应变硬化率很难超过2GPa。进一步提高钛合金的应变硬化效应对于开发高强度高塑性钛合金至关重要。

北京航空航天大学在TRIP/TWIP钛合金开展了系列研究工作,开发了强塑积高达42.6GPa%和45GPa%的钛合金,相关成果发表在金属领域顶刊《Scripta Materialia》上(Scr. Mater. 156, 47-50, 2018; Scr. Mater. 184, 6-11,2020)。近期,研究人员设计了一种超高应变硬化率的新型TRIP/TWIP钛合金,应变硬化率高达6.1GPa,研究成果以“Ultrahigh strain hardening in a transformation-induced plasticity and twinning-induced plasticity titanium alloy”为题发表在《Scripta Materialia》上。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.06.029

密排六方结构(HCP)的α′马氏体相比正交结构(Orthorhombic)的α″马氏体将能提供更显著的应变硬化效果,因此在本研究中,研究人员基于应力诱发β→α′马氏体相变设计新型TRIP/TWIP钛合金Ti-15Nb-5Zr-4Sn-1Fe。为了使合金能在应力诱导下发生α′马氏体相变,利用d-电子理论和钼当量进行合金设计,尽量降低合金的稳定性,减小应力诱发α″马氏相变的可能性,用XRD、TEM和EBSD表征分析了合金的变形机制。

北航《Scripta Mater》:6.1GPa超高应变硬化率的新型钛合金

图1. (a-b)为合金固溶态微观组织;(c)力学性能;(d-e)变形前后的XRD图

北航《Scripta Mater》:6.1GPa超高应变硬化率的新型钛合金

图2. 合金经2%(a-c)和5%(d-e)拉伸变形后的透射电镜图

北航《Scripta Mater》:6.1GPa超高应变硬化率的新型钛合金

图3. 合金经不同变形量拉伸变形后的EBSD图

北航《Scripta Mater》:6.1GPa超高应变硬化率的新型钛合金

图4. 合金经不同变形量拉伸变形后的孪晶分析(a1-c1)和KAM图(a2-c2)

对变形后的微观组织表征发现,合金的主要变形机制为β + ω → β + ω + α′p + {-1011}<10-12> → β + ω + α′p + α′s + {-1011}<10-12> → β + α′p + α′s + α′t+ {-1011}<10-12> + {11-22}<11-2-3>,本研究首次报道了钛合金这一复杂的变形机制。应力诱发的α′马氏体和α′马氏体孪晶以及孪晶间的交互作用带来优异的应变硬化效果,应变硬化率是传统TRIP/TWIP钛合金的3倍,为设计新型TRIP/TWIP钛合金提供了新的思路。

*感谢论文研究团队对本文的大力支持

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