預(yù)應(yīng)變時(shí)效對(duì)Ti-2.5Cu合金力學(xué)性能的影響

宋振亞, 張臨財(cái), 任衍彪, 劉 泳, 彭 孜，傅珠榮,董建光

(1.棗莊學(xué)院，山東 棗莊 277160)(2.紹興市天龍錫材有限公司，浙江 紹興 312030)

0 引 言

冷變形加上后續(xù)的時(shí)效處理是提高鈦合金強(qiáng)度最有效的方法之一[1-3]。經(jīng)過(guò)冷變形后材料內(nèi)會(huì)留下變形晶體缺陷(如孿晶、位錯(cuò)等)，在后續(xù)的時(shí)效過(guò)程中會(huì)對(duì)析出行為(如析出動(dòng)力學(xué)、析出相的形態(tài)、分布等)產(chǎn)生重要影響，進(jìn)而影響材料的力學(xué)性能。Song等[4-5]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)預(yù)應(yīng)變處理的Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al合金強(qiáng)度較未變形的合金有較大幅度的提高，同時(shí)提出通過(guò)二次時(shí)效工藝來(lái)提高合金的塑性。Morita 等[6]研究發(fā)現(xiàn)，冷軋加工可以加速Ti-20V-4Al-1Sn合金時(shí)效過(guò)程中α相的析出進(jìn)程，其中軋制變形量為70%的合金在673～873 K僅6 s就開(kāi)始析出α片，且時(shí)效后的強(qiáng)度有了明顯的提高。Furuhara等[7]研究發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過(guò)冷變形的固溶態(tài)Ti-15V-3Cr-3Sn-3A1合金中，時(shí)效時(shí)α片傾向于在位錯(cuò)纏結(jié)帶和晶界等處析出，與此同時(shí)在這些晶體缺陷處形核長(zhǎng)大的α片的變體，由于受到缺陷周?chē)鷳?yīng)力場(chǎng)的影響，某種特定位相的變體會(huì)優(yōu)先形核生長(zhǎng)。BT16鈦合金薄板材在經(jīng)過(guò)70%的冷變形后，抗拉強(qiáng)度可達(dá)到1 500 MPa 以上[8]。

與此同時(shí)，結(jié)構(gòu)件用鈦合金的低周疲勞性能也受到了廣泛關(guān)注。黃利軍等[9]研究了Ti1023合金由應(yīng)變控制的室溫低周疲勞行為，結(jié)果表明其疲勞壽命與應(yīng)變幅符合Coffin-Mason關(guān)系，并且合金在低應(yīng)變幅時(shí)，循環(huán)初期表現(xiàn)出輕微的循環(huán)硬化，而在高應(yīng)變幅時(shí)則表現(xiàn)為循環(huán)軟化。陳威等[10]對(duì)二次時(shí)效后的Ti1023合金進(jìn)行低周疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高應(yīng)變幅時(shí)出現(xiàn)循環(huán)軟化，低應(yīng)變幅時(shí)則表現(xiàn)為循環(huán)應(yīng)力飽和，且二次時(shí)效后疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)的疲勞條紋以穿晶方式擴(kuò)展,并伴隨著撕裂棱和二次裂紋。宋振亞等[11]通過(guò)對(duì)預(yù)應(yīng)變時(shí)效的TB3鈦合金進(jìn)行低周疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在低應(yīng)變幅時(shí)，預(yù)應(yīng)變樣品具有高的疲勞壽命。

可以發(fā)現(xiàn)，目前的冷變形時(shí)效及其力學(xué)性能研究多集中在β以及近β鈦合金中[12]。對(duì)于可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化的一種近α鈦合金(Ti-2.5Cu)而言，其強(qiáng)化機(jī)理與上述鈦合金有所不同[13-14]。不同于傳統(tǒng)鈦合金時(shí)效析出α相的強(qiáng)化機(jī)制，該合金時(shí)效析出的Ti2Cu相與基體的晶體學(xué)位相關(guān)系及相應(yīng)的變體選擇效應(yīng)等都會(huì)對(duì)合金的性能產(chǎn)生影響[15]。

目前，對(duì)于鈦合金的熱加工性能已經(jīng)有較多研究。在熱加工過(guò)程中，變形產(chǎn)生的諸如位錯(cuò)等晶體缺陷由于發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶而得到大量消除。然而，對(duì)于冷加工成形而言，由于變形溫度較低，變形產(chǎn)生的缺陷不能通過(guò)再結(jié)晶的軟化過(guò)程得到消除，會(huì)對(duì)后續(xù)的時(shí)效析出行為產(chǎn)生較大的影響，從而進(jìn)一步影響合金的力學(xué)性能[16]。因此，研究固溶處理后的冷變形對(duì)鈦合金隨后時(shí)效過(guò)程中析出相的析出行為及合金最終力學(xué)性能的影響，并在此基礎(chǔ)上建立合金性能的理論預(yù)測(cè)模型，定量表征微觀組織與力學(xué)性能的關(guān)系, 將有助于精確控制加工工藝以及時(shí)效工藝的參數(shù)，進(jìn)而得到具有優(yōu)良綜合力學(xué)性能的合金。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用Ti-2.5Cu 合金由西北有色金屬研究院提供，名義成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:2.43%≤Cu≤2.6%，N 0.006%，O 0.15%，余量為T(mén)i。固溶處理制度為805 ℃保溫 1 h 后水冷。固溶處理后取樣加工成標(biāo)距35 mm、直徑7.5 mm的拉伸試樣。在室溫下進(jìn)行預(yù)應(yīng)變拉伸，拉伸速率為5.0×10-4s-1，變形量分別為0.05、0.1、0.15、0.2時(shí)停止拉伸。對(duì)變形試樣進(jìn)行時(shí)效處理，時(shí)效工藝分為2種:一次時(shí)效為400 ℃保溫24 h空冷；二次時(shí)效是將一次時(shí)效后的樣品在475 ℃保溫8 h后空冷，詳細(xì)的處理工藝如圖1所示。時(shí)效后的拉伸試樣是在預(yù)變形試樣標(biāo)距內(nèi)進(jìn)行二次加工而成，標(biāo)距為12 mm，直徑為5 mm。為獲得統(tǒng)一的試驗(yàn)結(jié)果，將未變形的試樣加工成同樣的形狀與尺寸。采用Instron1195拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，應(yīng)變速率為1.0×10-4s-1。采用JEM-2100F透射電子顯微鏡(TEM)進(jìn)行組織分析。透射樣品采用雙噴減薄的方法在-20 ℃制備，雙噴腐蝕液的配比為高氯酸5%，正丁醇35%，甲醇60%(均為體積分?jǐn)?shù))。采用Instron1314型電液侍服疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫對(duì)稱(chēng)拉-壓低周疲勞試驗(yàn)，應(yīng)變速率恒定為4×10-3s-1，選擇總應(yīng)變幅為1%、1.5%和2%，各個(gè)試樣均疲勞至斷裂。采用JEM-200CX掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行疲勞斷口分析。

圖1 Ti-2.5Cu合金的預(yù)應(yīng)變時(shí)效工藝路線Fig.1 Prestrain and aging processes of Ti-2.5Cu alloy

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)應(yīng)變時(shí)效組織

圖2是預(yù)應(yīng)變Ti-2.5Cu合金經(jīng)過(guò)一次和二次時(shí)效工藝處理后的TEM形貌。由圖2可以看出，經(jīng)過(guò)一次時(shí)效后，其析出相尺寸較小，其中0.2預(yù)應(yīng)變?cè)嚇尤员Ａ粲写罅康睦渥冃谓M織(圖2b)。經(jīng)過(guò)二次時(shí)效后，析出相明顯長(zhǎng)大，同時(shí)冷變形組織也明顯減少(圖2c、d)。

圖2 預(yù)應(yīng)變時(shí)效Ti-2.5Cu合金的TEM形貌Fig.2 TEM images of Ti-2.5Cu alloy after prestrain and aging: (a)0.1 prestrain, after first aging； (b)0.2 prestrain, after first aging；(c)0.1 prestrain, after second aging； (d)0.2 prestrain, after second aging

從上述分析可知，冷變形后的Ti-2.5Cu合金經(jīng)過(guò)一次時(shí)效或二次時(shí)效后，會(huì)發(fā)生部分回復(fù)，但是并未發(fā)生再結(jié)晶來(lái)消除變形產(chǎn)生的位錯(cuò)。另一方面，經(jīng)過(guò)相同時(shí)效處理后，預(yù)應(yīng)變時(shí)效合金中析出的Ti2Cu粒子的直徑相比無(wú)預(yù)應(yīng)變合金的大一些[2]。這是由于合金經(jīng)過(guò)預(yù)應(yīng)變后，引入了大量高密度的位錯(cuò)和缺陷，這些高密度的位錯(cuò)和缺陷在后續(xù)的時(shí)效過(guò)程中充當(dāng)了高效的溶質(zhì)原子擴(kuò)散通道，因而溶質(zhì)原子在時(shí)效過(guò)程中可以快速擴(kuò)散聚集。同樣的，為了降低形核能壘，Ti2Cu粒子將會(huì)優(yōu)先在位錯(cuò)纏結(jié)區(qū)析出生長(zhǎng)，伴隨溶質(zhì)原子的快速擴(kuò)散，其形核生長(zhǎng)速度與自由時(shí)效合金相比要快一些，故在相同時(shí)效工藝下，其尺寸要大一些。

2.2 預(yù)應(yīng)變時(shí)效后的拉伸性能

圖3為不同預(yù)應(yīng)變Ti-2.5Cu合金經(jīng)過(guò)一次時(shí)效和二次時(shí)效處理后的拉伸性能。從圖3a可以看出，相對(duì)于一次時(shí)效處理，二次時(shí)效后合金強(qiáng)度的增加量隨著預(yù)應(yīng)變量的增加而減小，當(dāng)預(yù)應(yīng)變量超過(guò)0.15后，合金的強(qiáng)度相比0.1預(yù)應(yīng)變的試樣有所降低。其原因可能有:①預(yù)應(yīng)變量增加使得Ti-2.5Cu合金內(nèi)部位錯(cuò)密度增加，提高了擴(kuò)散速度，加快了析出動(dòng)力學(xué)過(guò)程，從而導(dǎo)致過(guò)時(shí)效[13]；②雖然在500 ℃以下時(shí)效，合金不能發(fā)生有效的再結(jié)晶過(guò)程(純鈦再結(jié)晶溫度約為700 ℃)，但是會(huì)發(fā)生靜態(tài)回復(fù)，這會(huì)導(dǎo)致合金強(qiáng)度出現(xiàn)一定程度的下降，這種回復(fù)效應(yīng)隨著應(yīng)變量的增加和溫度的升高會(huì)越來(lái)越明顯。

圖3 不同預(yù)應(yīng)變量下Ti-2.5Cu合金時(shí)效后的拉伸性能Fig.3 Tensile properties of Ti-2.5Cu alloy after different prestrain and aging: (a)yield strength; (b)elongation

從圖3b可以看出，預(yù)應(yīng)變對(duì)Ti-2.5Cu合金時(shí)效后的延伸率沒(méi)有明顯影響，這說(shuō)明通過(guò)預(yù)應(yīng)變時(shí)效處理可以在提高合金強(qiáng)度的同時(shí)保持良好的塑性，從而可以使合金得到強(qiáng)韌化。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能有2個(gè)[17]:①高溫回復(fù)消除了部分因冷變形產(chǎn)生的位錯(cuò)；②粒子強(qiáng)烈長(zhǎng)大引起明顯的過(guò)時(shí)效。

圖4是預(yù)應(yīng)變0.1的Ti-2.5Cu合金經(jīng)過(guò)一次和二次時(shí)效處理后的拉伸斷口形貌。由圖4可以看出，Ti-2.5Cu合金經(jīng)過(guò)預(yù)應(yīng)變后，一次時(shí)效和二次時(shí)效后的斷口形貌差別不大，都是由部分穿晶斷裂的韌窩加上部分沿晶斷裂混合構(gòu)成。這說(shuō)明一次時(shí)效和二次時(shí)效處理對(duì)Ti-2.5Cu合金的斷裂方式?jīng)]有顯著影響。

圖4 預(yù)應(yīng)變0.1的Ti-2.5Cu合金經(jīng)不同時(shí)效后的拉伸斷口形貌Fig.4 Tensile fracture morphologies of Ti-2.5Cu alloy with 0.1 prestrain after different aging: (a)after first aging； (b)after second aging

合金固溶處理后先進(jìn)行預(yù)應(yīng)變，再進(jìn)行時(shí)效處理，經(jīng)這種工藝處理后與自由時(shí)效狀態(tài)有2點(diǎn)差異:第一，預(yù)先冷變形引入了大量的位錯(cuò)等體缺陷，在本實(shí)驗(yàn)使用的時(shí)效工藝條件下(400 ℃×24 h/AC+475 ℃×8 h/AC)不足以發(fā)生再結(jié)晶過(guò)程來(lái)消除這些缺陷，時(shí)效后合金內(nèi)部仍然殘留大量的位錯(cuò)(如圖2所示)；第二，預(yù)先冷變形引入的大量位錯(cuò)對(duì)Ti2Cu粒子的析出動(dòng)力學(xué)過(guò)程有加速作用。鈦合金在時(shí)效過(guò)程中的回復(fù)主要通過(guò)異號(hào)位錯(cuò)的湮滅來(lái)實(shí)現(xiàn)，故對(duì)預(yù)應(yīng)變后時(shí)效的合金，就強(qiáng)度而言只需考慮內(nèi)部殘留位錯(cuò)對(duì)強(qiáng)度增加的貢獻(xiàn)量即可，所以根據(jù)Taylor位錯(cuò)強(qiáng)化關(guān)系[13]將得到式(1)。

(1)

式中:σ0為純鈦強(qiáng)度，MPa；Δσss為Cu原子固溶強(qiáng)化的強(qiáng)度增加值，MPa；M為T(mén)aylor因子；α為常數(shù)；G為剪切模量，MPa;b為伯氏矢量，nm;ρ為合金內(nèi)部由于冷變形而增加的位錯(cuò)密度，m-2。

將式(1)進(jìn)一步簡(jiǎn)化可以寫(xiě)成[18]:

(2)

式中:K為T(mén)i-2.5Cu合金的加工硬化因子，MPa；ε為變形量。式中前3項(xiàng)為自由時(shí)效時(shí)的強(qiáng)度模型，文獻(xiàn)[13]已經(jīng)對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算。

考慮到時(shí)效過(guò)程中的回復(fù)情況，其中部分位錯(cuò)發(fā)生回復(fù)，因此材料中殘留的變形量可以根據(jù)式(3)獲得[20]。

(3)

式中:ε0為施加的初始變形量，是常數(shù)。對(duì)于Ti-2.5Cu合金二次時(shí)效處理來(lái)說(shuō)，ε0為1.5[19]。

為驗(yàn)證本研究推導(dǎo)的不同預(yù)應(yīng)變量Ti-2.5Cu合金時(shí)效后的強(qiáng)度計(jì)算模型，研究了0.05、0.1、0.15、0.2 4種變形量的Ti-2.5Cu合金經(jīng)過(guò)二次時(shí)效工藝處理后Ti2Cu粒子析出情況，測(cè)試了合金屈服強(qiáng)度。通過(guò)TEM觀測(cè)，將經(jīng)過(guò)4種預(yù)應(yīng)變處理并進(jìn)行二次時(shí)效后的Ti2Cu粒子析出情況總結(jié)在表1中。將表1參數(shù)代入推導(dǎo)的強(qiáng)化模型公式(2)，計(jì)算得到相應(yīng)的強(qiáng)度值。

表1預(yù)應(yīng)變+二次時(shí)效后Ti-2.5Cu合金中析出的Ti2Cu粒子形狀參數(shù)及體積分?jǐn)?shù)

Table 1 Shape parameters and volume fraction of precipitation phase Ti2Cu particals with prestrain and second aging

圖5為不同預(yù)應(yīng)變變形后，經(jīng)過(guò)二次時(shí)效處理的Ti-2.5Cu合金的強(qiáng)度計(jì)算值及實(shí)驗(yàn)值對(duì)比曲線。由圖5可以看出，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值基本吻合。

圖5 預(yù)應(yīng)變+二次時(shí)效處理后Ti-2.5Cu合金的強(qiáng)度計(jì)算值及實(shí)驗(yàn)值對(duì)比圖Fig.5 Calculated and experimental yield strengths of Ti-2.5Cu alloy after different prestrain and second aging

上述結(jié)果表明，在Ti-2.5Cu合金預(yù)應(yīng)變時(shí)效處理工藝中，除了時(shí)效強(qiáng)化外，還應(yīng)考慮變形回復(fù)對(duì)合金強(qiáng)度的降低效應(yīng)，這樣才能符合實(shí)際的強(qiáng)度水平。

2.3 預(yù)應(yīng)變時(shí)效后的低周疲勞性能

鈦合金用作結(jié)構(gòu)材料時(shí)，經(jīng)常承受交變載荷的作用，因此研究其疲勞性能對(duì)于其服役安全性有著重要的意義。在此，對(duì)預(yù)應(yīng)變0.1且分別經(jīng)一次和二次時(shí)效后Ti-2.5Cu合金的低周疲勞性能進(jìn)行了研究。

圖6給出了2種時(shí)效工藝下Ti-2.5Cu合金低周疲勞的循環(huán)峰值應(yīng)力曲線。由圖6可以看出，一次時(shí)效與二次時(shí)效試樣的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律相似，均呈現(xiàn)出循環(huán)軟化的特點(diǎn)，總應(yīng)變幅越高該現(xiàn)象越明顯。需要注意的是，二次時(shí)效后，在1%總應(yīng)變幅下，出現(xiàn)了先循環(huán)硬化后軟化的現(xiàn)象，其原因可能是由于合金二次時(shí)效在較高的溫度下進(jìn)行，較一次時(shí)效有了更大的回復(fù)，在疲勞過(guò)程中產(chǎn)生明顯的硬化，而一次時(shí)效殘留的冷變形組織較多，因而疲勞過(guò)程中表現(xiàn)為循環(huán)軟化。進(jìn)一步對(duì)低周疲勞結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，一次時(shí)效和二次時(shí)效Ti-2.5Cu合金的總應(yīng)變幅與疲勞壽命近似的符合Coffin-Manson關(guān)系，分別見(jiàn)式(4)、式(5)。

εt/2=0.059(2Nf)-0.233 9

(4)

εt/2=0.063(2Nf)-0.235 6

(5)

圖6 一次時(shí)效和二次時(shí)效Ti-2.5Cu合金不同總應(yīng)變幅下的循環(huán)峰值應(yīng)力曲線Fig.6 Curves of cyclic stress amplitude with cycles at different total strain amplitudes of Ti-2.5Cu alloy after different aging: (a)after first aging； (b)after second aging

圖7為T(mén)i-2.5Cu合金經(jīng)不同時(shí)效后的低周疲勞應(yīng)變幅-疲勞壽命曲線。由圖7可以看出，在總應(yīng)變幅1%～2%之間，Ti-2.5Cu合金二次時(shí)效相比一次時(shí)效具有更高的疲勞壽命，但二者疲勞壽命總體相差不大。從前面的分析可知，預(yù)應(yīng)變0.10的Ti-2.5Cu合金，其二次時(shí)效強(qiáng)度高于一次時(shí)效，而二者延伸率相差不大，因此二次時(shí)效Ti-2.5Cu合金具有相對(duì)較高的韌性，在疲勞裂紋萌生后，裂紋尖端會(huì)發(fā)生塑性變形形成塑性區(qū)進(jìn)而吸收變形能，引起裂紋的鈍化，延緩裂紋的擴(kuò)展，從而表現(xiàn)出相對(duì)較高的疲勞壽命。

圖7 Ti-2.5Cu合金的低周疲勞應(yīng)變幅-疲勞壽命曲線Fig.7 Curves of fatigue life with low cycle fatigue strain amplitudes of Ti-2.5Cu alloy

圖8為預(yù)應(yīng)變0.1的Ti-2.5Cu合金經(jīng)過(guò)時(shí)效后，在Δεt/2=1%循環(huán)應(yīng)變幅下的疲勞斷口形貌，其中圖8a、c為裂紋起始區(qū)，圖8b、d為裂紋擴(kuò)展區(qū)。從圖8a、c可以看出，疲勞裂紋均從試樣表面產(chǎn)生，同時(shí)在表面附近有多個(gè)裂紋源。在圖8b、d所示裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)觀察到了典型的代表疲勞變形行為的疲勞條紋。上述結(jié)果表明，Ti-2.5Cu合金的疲勞裂紋以穿晶方式擴(kuò)展。

圖8 Ti-2.5Cu合金經(jīng)不同時(shí)效后在總應(yīng)變幅Δεt/2=1%下的疲勞斷口形貌Fig.8 Fatigue fracture morphologies of crack initiation(a，c) and propagation areas(b，d) under Δεt/2=1% of Ti-2.5Cu alloy:(a，b)after first aging；(c，d)after second aging

3 結(jié) 論

(1)經(jīng)過(guò)預(yù)應(yīng)變及后續(xù)的一次時(shí)效和二次時(shí)效處理后，Ti-2.5Cu合金未發(fā)生再結(jié)晶，且二次時(shí)效合金中析出的Ti2Cu粒子尺寸較一次時(shí)效的大。

(2)一次時(shí)效后，Ti-2.5Cu合金的強(qiáng)度隨預(yù)應(yīng)變量的增加而升高，而二次時(shí)效后合金強(qiáng)度先隨預(yù)應(yīng)變量的增加而增加，當(dāng)預(yù)應(yīng)變量超過(guò)0.15后，合金強(qiáng)度相比0.1預(yù)應(yīng)變的試樣有所降低，與此同時(shí)，2種時(shí)效工藝處理后的延伸率均保持在較高的水平。

(3)在考慮應(yīng)變回復(fù)的基礎(chǔ)上，建立了Ti-2.5Cu合金預(yù)應(yīng)變時(shí)效的強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型，其理論預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。

(4)Ti-2.5Cu合金一次時(shí)效和二次時(shí)效的疲勞壽命相當(dāng)，都表現(xiàn)為循環(huán)軟化，疲勞總應(yīng)變幅和疲勞壽命符合Coffin-Manson關(guān)系。Ti-2.5Cu合金疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)有明顯的疲勞條紋，疲勞裂紋以穿晶方式擴(kuò)展。