鈦合金具有比強(qiáng)度高，耐腐蝕性和熱穩(wěn)定性優(yōu)良的特征，已在航空航天、造船、核反應(yīng)堆等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。高性能和輕量化零件的需求激發(fā)了很多關(guān)于鈦合金的研究，且研究重點已從組件形狀逐步轉(zhuǎn)移到性能控制上。作為常規(guī)的成形技術(shù)，熱加工可以將粗糙且不均勻的層狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小均勻的等軸結(jié)構(gòu)進(jìn)而改善機(jī)械性能。應(yīng)變局部化是鈦合金初次熱加工過程中最重要的問題之一。它影響組織的均勻性，限制了試樣的最大均勻應(yīng)變，甚至導(dǎo)致在后續(xù)處理過程中出現(xiàn)破壞性缺陷，有效控制應(yīng)變局部化是改善組織均勻性和獲得所需機(jī)械性能的關(guān)鍵。因此，以控制應(yīng)變局部化為目的，迫切需要從行為和機(jī)理上研究鈦合金初次熱加工過程中與微觀組織有關(guān)的應(yīng)變局部化。

　　西北工業(yè)大學(xué)的研究人員通過微觀組織觀察，晶體塑性有限元模擬和理論分析，探討了微觀組織相關(guān)應(yīng)變局部化的行為和機(jī)理，可以增進(jìn)對鈦合金初次熱加工中顯微組織對應(yīng)變局部化影響的理解，從而為有效控制應(yīng)變局部化和改善部件性能奠定基礎(chǔ)。相關(guān)論文以題為“Microstructure dependent strain localization during primary hotworking of TA15 titanium alloy: Behavior and mechanism”發(fā)表在Materials and Design。

　　論文鏈接：

　　https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.109589

　　本研究使用的材料為工業(yè)應(yīng)用的TA15鈦合金，初始材料為熱鍛造合金，具有典型的等軸組織，β基體內(nèi)約含有50%的初始等軸α相和20%的層狀α相。相變溫度約985℃。為了獲得層狀組織，進(jìn)行1020℃×60min退火（爐冷），熱加工選擇帽形試樣熱壓縮（以10K/s的升溫速率加熱至1073K，均勻化3min，以0.1s-1的應(yīng)變速率變形，水冷）。

　　研究表明，基體內(nèi)部相的發(fā)展有三個關(guān)鍵階段：

　　（1）各組成相之間被迫均勻變形階段，表現(xiàn)為α相和β相之間的應(yīng)力梯度增加，伴隨著α片層內(nèi)α位錯塞積加劇；

　　（2）層間尺度上集中變形階段，其始于突然發(fā)生且高度局部化的相界面減弱而引起的應(yīng)力梯度崩潰，然后在弱化點處產(chǎn)生干擾促使片層向更軟的方向旋轉(zhuǎn)；

　　（3）在基體內(nèi)明顯的定位階段，粗滑移帶的收斂和快速傳播。

圖1 變形前的微觀組織結(jié)構(gòu)

圖2 變形后橫截面的微觀結(jié)構(gòu)

圖3 橫截面上剪切帶內(nèi)部顯微組織的TEM圖

　　由于應(yīng)變分配的各向異性行為，揭示了應(yīng)變局部化取決于層狀取向。對于其中可以充分激活應(yīng)變分配的層狀取向，很難實現(xiàn)強(qiáng)制均勻變形的第一階段，從而阻礙了應(yīng)變局部化。在層狀取向與剪切方向呈45°的晶粒中，應(yīng)變局部化趨勢相對較強(qiáng)，這是因為幾乎沒有激活應(yīng)變分配，從而導(dǎo)致α相和β相被迫均勻變形，具有垂直于剪切方向的層狀取向的晶粒具有應(yīng)變分配，從而能夠阻礙應(yīng)變局部化。

圖4 變形后的顯微組織結(jié)構(gòu)

圖5 平行于剪切帶方向的微觀結(jié)構(gòu)演變

圖6 層狀微結(jié)構(gòu)熱加工過程中小應(yīng)變位錯的TEM圖

圖7 應(yīng)變局部化發(fā)展過程示意圖

　　本研究深入探討了依賴于微觀結(jié)構(gòu)的應(yīng)變局部化，提供了一種新穎的方法來調(diào)控鈦合金熱加工過程中的應(yīng)變局部化。本文的研究路線可以推廣到更多的材料之中，本文為鈦合金熱加工過程中與微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)的應(yīng)變局部化提供了新的認(rèn)識。