鈦合金具有比強度高，耐腐蝕性和熱穩定性優良的特征，已在航空航天、造船、核反應堆等工業領域得到了廣泛的應用。高性能和輕量化零件的需求激發了很多關于鈦合金的研究，且研究重點已從組件形狀逐步轉移到性能控制上。作為常規的成形技術，熱加工可以將粗糙且不均勻的層狀結構轉變為細小均勻的等軸結構進而改善機械性能。應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變，甚至導致在后續處理過程中出現破壞性缺陷，有效控制應變局部化是改善組織均勻性和獲得所需機械性能的關鍵。因此，以控制應變局部化為目的，迫切需要從行為和機理上研究鈦合金初次熱加工過程中與微觀組織有關的應變局部化。

西北工業大學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應變局部化的行為和機理，可以增進對鈦合金初次熱加工中顯微組織對應變局部化影響的理解，從而為有效控制應變局部化和改善部件性能奠定基礎。相關論文以題為“Microstructure dependent strain localization during primary hotworking of TA15 titanium alloy: Behavior and mechanism”發表在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應用的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的應變速率變形，水冷）。

研究表明，基體內部相的發展有三個關鍵階段：（1）各組成相之間被迫均勻變形階段，表現為α相和β相之間的應力梯度增加，伴隨著α片層內α位錯塞積加劇；（2）層間尺度上集中變形階段，其始于突然發生且高度局部化的相界面減弱而引起的應力梯度崩潰，然后在弱化點處產生干擾促使片層向更軟的方向旋轉；（3）在基體內明顯的定位階段，粗滑移帶的收斂和快速傳播。

圖1 變形前的微觀組織結構

圖2 變形后橫截面的微觀結構

圖3 橫截面上剪切帶內部顯微組織的TEM圖

由于應變分配的各向異性行為，揭示了應變局部化取決于層狀取向。對于其中可以充分激活應變分配的層狀取向，很難實現強制均勻變形的第一階段，從而阻礙了應變局部化。在層狀取向與剪切方向呈45°的晶粒中，應變局部化趨勢相對較強，這是因為幾乎沒有激活應變分配，從而導致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變分配，從而能夠阻礙應變局部化。

圖4 變形后的顯微組織結構

圖5 平行于剪切帶方向的微觀結構演變

圖6 層狀微結構熱加工過程中小應變位錯的TEM圖

圖7 應變局部化發展過程示意圖

本研究深入探討了依賴于微觀結構的應變局部化，提供了一種新穎的方法來調控鈦合金熱加工過程中的應變局部化。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構相關的應變局部化提供了新的認識。