不同温度下Ti6321合金的拉伸行为及塑性变形机制.pdf
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1、第40卷第4期Vol.40No.42023 年8 月August2023不同温度下 Ti6321 合金的拉伸行为及塑性变形机制尹艳超,锁永永,许玲玉,张帅锋,吕逸帆,陈利阳,蒋鹏(中国船舶集团有限公司第七二五研究所,河南洛阳471023)摘要:为了研究 Ti6321 合金在不同温度下的服役性能及其塑性变形机制,在196400 下对其进行拉伸性能测试并对断口形貌和显微组织进行分析。结果表明,随着温度的升高屈服强度和抗拉强度逐渐降低,屈强差和断面收缩率逐渐增大;延伸率在100 降至 16.0%,之后随着温度的升高而升高。不同温度下 Ti6321 合金的塑性变形机制有所不同。25 下 Ti6321
2、合金塑性变形机制主要为柱面滑移。196 下 Ti6321 合金的位错滑移受到抑制,此时等轴相滑移类型为柱面滑移、一级锥面和滑移,片层相滑移类型为基面滑移和二级锥面滑移;但1012和1122孪晶开动使塑性得到恢复,变形机制为滑移、孪生共存,以滑移为主。200 和 400 下 Ti6321 合金位错交互作用强烈,可发现位错网等位错组态特征,同时有少量1012孪晶开动,变形机制主要为位错滑移。等轴相与片层相中的滑移类型相同,为柱面滑移和二级锥面滑移。关键词:Ti6321 合金;变形机制;位错滑移;孪晶中图分类号:TG146.23文献标识码:A文章编号:1009-9964(2023)04-19-07T
3、ensile Behavior and Plastic Deformation Mechanism of Ti6321 Alloy underDifferent Temperature EnvironmentYin Yanchao,Suo Yongyong,Xu Lingyu,Zhang Shuaifeng,Lv Yifan,Chen Liyang,Jiang Peng(Luoyang Ship Material Research Institute,Luoyang 471023,China)Abstract:In order to study the service properties a
4、nd plastic deformation mechanism of Ti6321 alloy at differenttemperatures,the tensile properties were tested at 196 to 400,and the fracture morphology and microstructureof the samples were analyzed.The results show that with the increase of temperature,the yield strength and tensilestrength graduall
5、y decrease,and the yield strength difference and section shrinkage gradually increase.The elongationdecreases to 16.0%at 100,and then increases with the increase of temperature.The plastic deformationmechanism of Ti6321 alloy is different at different temperatures.The plastic deformation mechanism o
6、f Ti6321 alloyat 25 is mainly prism slip.At 196,the dislocation slip is suppressed,the types of slip in the equiaxed phaseare prism slip,first-order pyramidal and slip,but the basal slip and second-order pyramidal slipin the lamellar phase.However,a small number of 1012 and 1122 twins are found,whic
7、h leads to the increase ofductility.The deformation mechanism is the coexistence of slip and twin,but mainly slip.At 200 and 400,theinteraction of dislocation in Ti6321 alloy is strong,and the dislocation configuration characteristics such as dislocationnetwork can be found.At the same time,a small
8、amount of 1012 twins are initiated,and the deformation mechanismis mainly dislocation slip.The slip types in equiaxed phase and lamellar phase are the same,which are prism slip and second-order pyramidal slip.Keywords:Ti6321 alloy;deformation mechanism;dislocation slip;twin钛合金具有密度小、无磁性、比强度高、比刚度收稿日期:
9、20230518基金项目:郑洛新自创区产业集群专项(201200211400)通信作者:尹艳超(1989),男,工程师。高、耐蚀性好、抗疲劳和蠕变性能良好等优点,在航空航天、兵器、舰船、石油、化工、能源、医疗等领域得到了广泛应用1-5。其中,Ti6321 合金因其高强、高韧、耐蚀、可焊等性能被大量用于制作高压容器、2040 卷钛 工 业 进 展Titanium Industry Progress深潜器耐压壳体、船舶焊接结构件等6-7。船用钛合金结构件在服役过程中会遇到极端温度环境,其中低温场景如极地区域作业,高温场景如排烟管道、换热器等,为保证长期服役的安全可靠性,对钛合金材料的高温、低温力学
10、性能提出了更高的要求。钛合金的塑性变形机制主要为滑移和孪生8。服役温度主要通过改变钛合金的塑性变形机制影响其力学性能,如 Ti-Al 单晶在不同环境温度下的滑移类型和孪晶类型有较大不同9。另外,钛合金的元素种类和含量也会对塑性变形机制产生影响,如 Al 元素含量与滑移系的临界分切应力具有相关性9,O 元素含量会改变位错的滑移方式10-11,同时较高的 Al、O 元素含量会抑制孪晶的产生12,因此不同钛合金的塑性变形机制可能不同。TA2 纯钛和 TA7ELI 钛合金在室温下拉伸的变形机制均主要为位错滑移;在196 下 TA2纯钛能够产生大量1012孪晶进而诱发塑性变形13-14,而 TA7ELI
11、 钛合金仅有少量孪晶产生15。晶粒取向也会对塑性变形机制产生影响,如-Ti 单晶在低温下的孪晶类型与晶体取向具有相关性,基面与拉伸轴近似垂直时产生1012孪晶,4760夹角时产生1121孪晶16。以上研究表明,不同合金的塑性变形机制不尽相同,同一合金在不同温度下的塑性变形机制也不尽相同,进而表现出不同的宏观力学性能。Ti6321 合金作为一种高强钛合金在舰船领域具有极大的应用前景,其高低温力学性能与服役过程中的结构完整性密切相关。目前鲜有关于 Ti6321 合金在极端温度环境下服役性能的研究报道。为推动 Ti6321 合金在极端服役温度环境下的应用并保障钛合金结构的服役安全性,有必要建立该合金
12、在极端温度环境下的温度强度塑性映射关系并对其塑性变形机制进行研究。在196400 温度区间内对 Ti6321 合金进行拉伸性能测试,并对不同温度下的组织演变、塑性变形机制进行深入研究,以期为 Ti6321 合金在极端温度环境下的应用提供数据支撑和理论依据。1实验实验材料为 25 mm 厚退火态 Ti6321 合金板材,其化学成分如表 1 所示。材料显微组织由初生等轴相、转变组织构成,为典型的双态组织,如图 1 所示。参照 GB/T 228.12021金属材料拉伸试验 第 1 部分室温试验方法、GB/T 228.22015金属材料拉伸试验 第 1 部分 高温试验方法、GB/T 228.32019
13、金属材料拉伸试验 第 1 部分 低温试验方法,采用标距段尺寸为5 mm 25 mm 的拉伸试样在196、100、0、25、100、200、300、400 下进行拉伸试表 1Ti6321 合金板材化学成分(w/%)Table 1Chemical composition of Ti6321 alloy plateTiAlNbZrMoNHCOBal.6.212.512.041.010.0050.0010.010.067图 1退火态 Ti6321 合金板材的显微组织Fig.1Microstructure of as annealed Ti6321 alloy plate验。从在196、25、100、4
14、00 下拉伸断裂的试样上取样并进行断口形貌观察和塑性变形机制分析。采用Quanta650 扫描电子显微镜(SEM)进行断口形貌观察。透射电镜(TEM)、电子背散射衍射(EBSD)试样均取自拉伸试样均匀变形段,观测面与试样轴向平行。采用电解双喷的方式制备透射电镜样品,并在JEM-2100 透射电镜上进行位错组态及孪晶形态观察。采用装有 Pegasus XM2 EBSD 探头的 JSM-7001F 场发射扫描电子显微镜进行 EBSD 分析。2结果与分析2.1力学性能图 2 为 Ti6321 合金在196400 下的拉伸性能。从图 2 可知,Ti6321 合金的屈服强度、抗拉强度以及强度变化率均随温
15、度升高而逐渐降低,但屈强差却随温度升高而逐渐增大。196 时,屈服强度高达 1312 MPa,屈强差为 96 MPa;400 时,屈服强度下降至 471 MPa,屈强差为 139 MPa。屈强差的本质是材料在塑性变形图 2Ti6321 合金在不同温度下的拉伸性能Fig.2Tensile properties of Ti6321 alloy at different temperatures第 4 期尹艳超等:不同温度下 Ti6321 合金的拉伸行为及塑性变形机制21后,依靠形变硬化使材料强度增加的数值,这一数值越大,说明塑性变形后形变硬化能力越强。而材料应变硬化的本质是位错增殖,温度越低,位错
16、增殖能力越低,应变硬化能力下降,故屈强差降低。Ti6321 合金在196 下表现出塑性增强现象,延伸率为 19.0%,100 时降至 16.0%,之后随着温度升高而升高,400 时达到 21.0%。196 时,断面收缩率为 40.0%,之后随温度升高而逐渐升高至 70.0%。拉伸试样的延伸率由均匀变形和颈缩变形两部分共同组成,196 时断面收缩率较低,颈缩变形小,但延伸率却反常升高,说明颈缩前的均匀变形能力有所提高。2.2断口形貌对 Ti6321 合金拉伸试样断口的宏观形貌进行观察,如图 3 所示。Ti6321 合金断口的颈缩程度随着温度的升高而逐渐增大。196 时拉伸断口呈楔形,25、200
17、、400 时拉伸断口呈近杯锥状。图 4 为 Ti6321合金拉伸试样断口的微观形貌。从图 4 可以看出,不同温度下的拉伸断口形貌均以韧窝为主,呈现出韧性断裂特征,具有良好的塑性。但不同温度下拉伸断口表面的韧窝大小有一定差异,表现为随着温度升高,韧窝逐渐增大。196 时韧窝小而浅,400 时韧窝大而深。另外,196 时断口表面分布有沟槽,如图4a 中箭头处所示,已有研究15表明,该特征与塑性变形过程中产生的孪晶有关。400 时韧窝边壁上呈现圆形滑移特征,表明高温下材料滑移较易开动。图 3Ti6321 合金在不同测试温度下拉伸断口的宏观形貌Fig.3Macro-morphologies of te
18、nsile fractures of Ti6321 alloyafter test at different temperatures:(a)196;(b)25;(c)200;(d)400 图 4Ti6321 合金在不同测试温度下拉伸断口的微观形貌Fig.4Micro-morphologies of tensile fractures of Ti6321 alloy after test at different temperatures:(a)196;(b)25;(c)200;(d)400 2.3塑性变形机制为了进一步研究 Ti6321 合金在不同温度下的塑性变形机制,采用透射电镜对试样塑性
19、变形后的显微组织进行观察。图 5 为 Ti6321 合金在 25 下变形后的 TEM 照片。从图 5 可以看出,原始晶粒轮廓明显,有大量位错和滑移线,未发现孪晶。等轴相晶粒尺寸2240 卷钛 工 业 进 展Titanium Industry Progress图 5Ti6321 合金在 25 下变形后的 TEM 照片Fig.5TEM images of Ti6321 alloy after deformation at 25:(a)prism slip in equiaxed phase;(b)dislocation tangle;(c)prism slip in lamellae;(d)fir
20、storder pyramidal slip in lamellae较大,位错易于滑移,塑性变形能力较强。在等轴相中发现有柱面滑移的交滑移及多滑移现象,滑移系为滑移,表示为0110、1010、1100,如图 5a 所示。由于相界面的阻碍,界面处有大量位错塞积,形成高位错密度区(图 5a 中 A处)。图 5a 中 B 处位错穿过相界面,诱发相邻晶粒产生双滑移,应力集中得以释放,塑性得到传递。图 5b中有大量位错缠结,逐渐形成位错胞状结构。次生片层相尺寸较小,且有/界面阻碍作用,其变形能力相对等轴相较弱。图 5c 为次生片层相位错组态,经分析发现有柱面单滑移和交滑移现象,为型滑移,滑移系表示为10
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