劉 偉，杜 宇，孫花梅，毛小南，楊海瑛

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

不同應(yīng)變速率下CT20鈦合金孿生變形行為

劉 偉，杜 宇，孫花梅，毛小南，楊海瑛

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

在300 K及20 K、不同應(yīng)變速率下對CT20鈦合金板材進(jìn)行單向拉伸，利用掃描電鏡、透射電鏡等觀察拉伸應(yīng)變組織及斷口形貌，揭示了應(yīng)變速率對CT20鈦合金孿生變形行為的影響規(guī)律。結(jié)果表明：在300 K下，應(yīng)變速率的提高使CT20鈦合金板材的強度提高，延伸率降低；20 K下，應(yīng)變速率的提高使CT20鈦合金板材的強度和延伸率均下降。在300 K、應(yīng)變速率高于6.67×10-1s-1和20 K、應(yīng)變速率低于6.67×10-3s-1的條件下，CT20鈦合金板材的變形均為滑移和孿生共同作用。20 K下，CT20鈦合金拉伸應(yīng)變速率超過6.67×10-3s-1時，孿生變形受到抑制，材料的延伸率迅速降低。

CT20鈦合金；低溫；孿生；應(yīng)變速率；拉伸性能

0 引 言

鈦及鈦合金因具有密度小、比強度高等優(yōu)異的綜合性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域[1]。CT20鈦合金(Ti-Al-Zr-Mo系)是西北有色金屬研究院研制開發(fā)的一種近α型低溫鈦合金，室溫拉伸強度≥600 MPa，延伸率≥16%。在20 K低溫下，其強度較室溫提高一倍，延伸率仍能保持在10%以上。由于冷變形性能良好，可將該合金冷加工成管材。目前采用該合金制備的管材已應(yīng)用于某航天發(fā)動機液氫管路系統(tǒng)中[2-4]。

高的應(yīng)變速率和低的變形溫度都會使金屬材料有發(fā)生脆化的傾向。已有的研究表明，應(yīng)變速率對純鈦在室溫及高溫下的力學(xué)性能有較大的影響，而針對應(yīng)變速率對低溫鈦合金力學(xué)性能及孿生變形行為影響的研究較少。

因此，研究CT20鈦合金不同應(yīng)變速率下的拉伸變形行為，掌握孿晶在材料變形過程中所起的作用，對于充分挖掘該合金在低溫下的性能潛力，明確該合金在液氫發(fā)動機這樣的低溫環(huán)境中能否安全使用，促進(jìn)該合金在低溫工程中的推廣和應(yīng)用有著重要意義。為此，開展300 K和20 K下，不同應(yīng)變速率(10-5～10-1s-1)對CT20鈦合金的拉伸性能和變形孿晶的影響研究。

1 實 驗

1.1 實驗材料

采用零級海綿鈦、Al-60Mo中間合金、Al豆和原子能級海綿鋯為原料，通過真空自耗電弧爐進(jìn)行兩次熔煉，得到CT20鈦合金鑄錠。鑄錠開坯鍛造后再熱軋成13 mm厚的CT20鈦合金板材。對板材進(jìn)行800 ℃×1 h/AC的再結(jié)晶退火。

1.2 實驗方法

沿板材縱向切取拉伸試樣。300 K和20 K拉伸試驗分別在MTS 810萬能拉伸試驗機和MTS-SANS CMT5000系列微機控制電子萬能試驗機上進(jìn)行。300 K拉伸時應(yīng)變速率分別為6.67×10-5、6.67×10-4、6.67×10-3、 6.67×10-2、6.67×10-1s-1。20 K拉伸時應(yīng)變速率分別為6.67×10-4、6.67×10-3、6.67×10-2、6.67×10-1s-1。沿拉伸試樣的變形方向切取金相試樣，觀察顯微組織；在拉伸試樣斷口附近沿縱向切取0.5 mm的薄片，經(jīng)機械減薄至0.05 mm后在MTP-1型雙噴電解減薄機上減薄，制備透射試樣。在JSM5800掃描電鏡和S-2700HITACHI掃描電鏡上觀察試樣的斷口形貌和拉伸試樣的微觀變形組織，電鏡工作電壓為20 kV。在JEM-200CX透射電鏡上觀察合金的高倍組織和孿晶形貌，電鏡工作電壓為160 kV。

2 結(jié) 果

2.1 不同應(yīng)變速率下的室低溫變形組織及拉伸性能

300 K、不同應(yīng)變速率下CT20鈦合金板材的拉伸性能見圖1。從圖中可以看出，隨著應(yīng)變速率的提高，材料的抗拉強度、屈服強度均呈現(xiàn)緩慢增高的趨勢，而延伸率卻呈現(xiàn)下降的趨勢。應(yīng)變速率從6.67×10-5s-1提高到6.67×10-1s-1，抗拉強度和屈服強度分別增加了10%和9.7%，而延伸率下降了43%，但仍保持在13%以上，沒有發(fā)生脆化的現(xiàn)象。另外，屈服強度和抗拉強度的曲線隨著應(yīng)變速率的增加逐漸靠近，說明應(yīng)變速率的提高使材料的屈強比逐漸增大，應(yīng)變速率從6.67×10-5s-1提高到6.67×10-1s-1，屈強比從0.75增大到了0.83。

圖1 300 K、不同應(yīng)變速率下CT20鈦合金板材的拉伸性能Fig.1 Tensile properties of CT20 titanium alloy plate in different strain rates at 300 K

20 K、不同應(yīng)變速率下CT20鈦合金的拉伸性能見圖2。從圖中可以看出，應(yīng)變速率對20 K和300 K下CT20鈦合金拉伸性能的影響存在較大差異。在20 K下，延伸率、屈服強度和抗拉強度都隨著應(yīng)變速率的增加而呈現(xiàn)下降的趨勢，而且延伸率的變化以6.67×10-3s-1的應(yīng)變速率為界限分成了兩個階段。在應(yīng)變速率低于6.67×10-3s-1時，隨著應(yīng)變速率增加，延伸率下降趨勢較緩，在同一應(yīng)變速率下，不同變形溫度下延伸率的變化幅度不超過15%；當(dāng)應(yīng)變速率增加到6.67×10-2s-1時，延伸率從6.67×10-3s-1時的13.5%迅速下降到3.3%，材料發(fā)生脆性斷裂。20 K、不同應(yīng)變速率下CT20鈦合金的屈強比變化不大，都保持在0.9以上。

圖2 20 K、不同應(yīng)變速率下CT20鈦合金板材的拉伸性能Fig.2 Tensile properties of CT20 titanium alloy plate in different strain rates at 20 K

圖3為CT20鈦合金板材退火態(tài)及在300 K和20 K下不同應(yīng)變速率拉伸后的金相組織。從圖中可以看出，在300 K、應(yīng)變速率較低的情況下，顯微組織有一定程度的變形(圖3b)，部分等軸組織(圖3a)被拉長；隨著應(yīng)變速率的提高，等軸組織被拉長變形的趨勢越來越小(圖3c)；20 K、應(yīng)變速率為6.67×10-1s-1下，拉伸試樣應(yīng)變區(qū)顯微組織的變形程度較小(圖3d)，形態(tài)與退火態(tài)組織相比變化不大。

2.2 不同應(yīng)變速率下的室低溫拉伸斷口

CT20鈦合金板材在300 K和20 K、不同應(yīng)變速率下的典型拉伸斷口見圖4。在300 K、不同應(yīng)變速率條件下CT20鈦合金板材的拉伸斷口均呈現(xiàn)出典型的韌性斷裂特征，從宏觀斷口可以看到斷裂試樣的頸縮現(xiàn)象很明顯，從微觀斷口可以發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)變速率的提高，韌窩的數(shù)量增多，且變淺變小。20 K不同應(yīng)變速率條件下的拉伸宏觀斷口觀察不到明顯的頸縮現(xiàn)象，低應(yīng)變速率下的微觀斷口觀察發(fā)現(xiàn)既有表現(xiàn)韌性斷裂特征的韌窩出現(xiàn)，同時還存在大量舌狀花樣和解理臺階，表明材料內(nèi)部發(fā)生了孿生變形，同時還有一定的解理斷裂特征；隨著應(yīng)變速率提高，拉伸斷口的脆性斷裂特征越來越明顯，在6.67×10-1s-1的應(yīng)變速率下，斷口表現(xiàn)出典型的解理斷裂特征。

圖3 CT20鈦合金的退火態(tài)組織及不同應(yīng)變速率下的拉伸變形組織Fig.3 Annealed microstructure and tensile microstructures of CT20 titanium alloy in different strain rates

圖4 300 K和20 K、不同應(yīng)變速率下CT20鈦合金板材的拉伸斷口照片F(xiàn)ig.4 Fracture morphologies of CT20 titanium alloy plate in different strain rates at 300 K and 20 K

2.3 不同應(yīng)變速率下的室低溫TEM組織

CT20鈦合金板材在300 K和20 K、不同應(yīng)變速率拉伸后試樣的透射電鏡照片見圖5。從圖中可以看出，在300 K下，以6.67×10-4s-1的應(yīng)變速率拉伸時，變形組織中有很高的位錯密度，位錯纏結(jié)聚集形成位錯團(tuán)；隨著應(yīng)變速率提高，位錯密度有所降低，但仍保持較高的水平，同時在個別晶粒內(nèi)出現(xiàn)了孿晶組織，孿晶內(nèi)部的位錯密度較高。拉伸溫度降低到20 K，在6.67×10-4s-1的低應(yīng)變速率下，晶粒內(nèi)出現(xiàn)較多的孿晶，位錯密度比相同應(yīng)變速率下300 K拉伸的應(yīng)變組織低的多，當(dāng)應(yīng)變速率提高到6.67×10-1s-1時，組織內(nèi)沒有觀察到孿晶，而且位錯密度也降到了很低的水平，只有少量的位錯線向三叉晶界處聚集。

圖5 300 K和20 K、不同應(yīng)變速率下CT20鈦合金板材的透射電鏡照片F(xiàn)ig.5 TEM morphologies of CT20 titanium alloy plate in differentstrain rates at 300 K and 20 K

3 討 論

從圖1可以看出，隨著應(yīng)變速率的提高，CT20鈦合金在300 K下的抗拉強度和屈服強度均提高，而延伸率卻隨之降低。一般來說，金屬材料都具有明顯的應(yīng)變硬化率效應(yīng)[5]，即位錯運動的速率隨著應(yīng)變速率的增加而增加，位錯的產(chǎn)生變得困難，位錯滑移的阻力提高，使材料產(chǎn)生附加強化，宏觀表現(xiàn)為材料強度提高，塑性降低。另一方面，由于本實驗選擇的應(yīng)變速率均在中低范圍內(nèi)，所以應(yīng)變速率對CT20鈦合金板材在300 K拉伸強度和塑性的影響程度有限。對比圖5a、b可以看出，應(yīng)變速率提高對位錯的產(chǎn)生具有強烈的阻礙作用。圖5a中沒有發(fā)現(xiàn)孿晶，而圖5b中觀察到了孿晶，這是因為應(yīng)變速率的提高使材料變形時局部應(yīng)力集中現(xiàn)象更明顯，為孿生變形的發(fā)生提供了有利條件。從圖4b、d可以看出，應(yīng)變速率提高使得拉伸斷口的韌窩數(shù)量增多、尺寸變小，印證了材料強度的提高和延伸率的降低，同時由于孿晶的產(chǎn)生對材料塑性和強度均有改善作用，因此在300 K、應(yīng)變速率為6.67×10-1s-1的條件下，CT20鈦合金板材仍表現(xiàn)出了較好的塑性。

從圖2可以看出，溫度降低到20 K時，延伸率、屈服強度和抗拉強度都隨著應(yīng)變速率的增加而下降。這是由于低溫使滑移的萌生應(yīng)力顯著提高，位錯滑移變得困難[6]，提高應(yīng)變速率進(jìn)一步增大了位錯滑移的阻力，在低溫和較高應(yīng)變速率的雙重影響下，材料表現(xiàn)出明顯的脆化趨勢，因而強度和延伸率同時下降。從圖4f、h也可看出，隨著應(yīng)變速率的提高材料表現(xiàn)出明顯的脆性斷裂特征。應(yīng)變速率低于6.67×10-3s-1時，20 K應(yīng)變組織中有較多的孿晶，這對改善材料的塑性有很大的幫助，因此材料的延伸率仍能保持在10%左右；但是，當(dāng)應(yīng)變速率超過6.67×10-3s-1，延伸率迅速下降到3%，應(yīng)變組織中既沒有觀察到孿晶，位錯密度也迅速下降，這是由于應(yīng)變速率提高使位錯運動的速率增大，位錯難以產(chǎn)生，滑移變形受到抑制，孿生變形也來不及發(fā)生，合金的屈強比增大到0.9以上，材料一屈服就迅速發(fā)生脆性斷裂。

綜合圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，在300 K下，當(dāng)應(yīng)變速率較低時，材料變形主要以位錯滑移為主，當(dāng)應(yīng)變速率達(dá)到6.67×10-1s-1時，應(yīng)變組織中觀察到了孿晶，材料變形機制為滑移和孿生共同作用，孿生參與變形使材料的塑性得以提高，變形更加均勻，因此即使在應(yīng)變速率較高的情況下，斷口仍然表現(xiàn)出韌性斷裂的特征；在20 K、應(yīng)變速率較低的情況下，低溫條件對孿生的產(chǎn)生提供了促進(jìn)作用，但是當(dāng)應(yīng)變速率超過6.67×10-3s-1時，由于低溫和較高應(yīng)變速率的共同作用，孿生受到了抑制，材料不能發(fā)生均勻的塑性變形，出現(xiàn)脆性斷裂。

4 結(jié) 論

(1)在300 K下，應(yīng)變速率提高使CT20鈦合金的強度提高，延伸率降低；20 K下，應(yīng)變速率提高使CT20鈦合金板材的強度和延伸率均下降。

(2)300 K、應(yīng)變速率高于6.67×10-1s-1和20 K、應(yīng)變速率低于6.67×10-3s-1的條件下CT20合金的變形均為滑移和孿生共同作用，材料保持較好的塑性。

(3)20 K溫度下，CT20鈦合金板材拉伸時應(yīng)變速率超過6.67×10-3s-1時，由于低溫和較高應(yīng)變速率的雙重作用，孿生變形受到了抑制，材料的延伸率迅速降低，表現(xiàn)出典型的脆性斷裂特征。

[1] 楊冠軍,趙永慶,于振濤，等. 鈦合金研究、加工與應(yīng)用的新進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報. 2001, 15(10):19-21.

[2] 劉偉,杜宇,盧亞鋒,等.CT20鈦合金管材的冷彎成形[J].中國有色金屬學(xué)報.2010,20(增刊1):743-747.

[3] 趙彬,楊英麗,趙恒章,等.低溫用CT20鈦合金的電子束焊接工藝[J].中國有色金屬學(xué)報，2010,20(增刊1):838-842.

[4] 劉偉,杜宇. 低溫鈦合金的研究現(xiàn)狀[J]. 稀有金屬快報.2007,26(9):6-10.

[5] Yoo M H, Lee J K. Deformation twinning in hcp metals and alloys[J]. Philosophical Magazine A, 1991, 63(5): 987-1000.

[6] Salem A A, Kalidindi S R, Doherty R D. Strain hardening of titanium: role of deformation twinning[J]. Acta Materialia, 2003, 51(14): 4225-4237.

Twinning Deformation Behavior of CT20 Titanium Alloy under Different Strain Rates

Liu Wei, Du Yu, Sun Huamei, Mao Xiaonan, Yang Haiying

The tensile deformation behavior of CT20 titanium alloy plate under different strain rates at 300 K and 20 K was investigated. The deformation microstructures and fracture morphologies were observed by scanning electron microscope (SEM) and transmission electron microscope (TEM). The influence of strain rate on twinning deformation behavior was revealed. The results show that, with strain rate accretion, the strength increases but elongation decreases at 300 K, while both the strength and elongation get reduction at 20 K. Both slip and twins dominat in the CT20 titanium alloy plate deformation with a strain rate higher than 6.67×10-1s-1at 300 K and with a strain rate lower than 6.67×10-3s-1at 20 K. When tensile test is conducted with a strain rate above 6.67×10-3s-1at 20 K, the elongation of CT20 titanium alloy decreases directly because the twins are restrained.

CT20 titanium alloy；cryogenic temperature；twin；strain rate；tensile properties

2014-07-23

劉偉(1981—)，男，高級工程師。

(Northwest Institute for Nonferrous Metal Research,Xi’an 710016, China)