{首页主词},&

南京工大《JMST》：含鐵TC4鈦合金的組織強(qiáng)韌化機(jī)理！

2021-12-01 13:27:38 作者：材料科學(xué)與工程來(lái)源：材料科學(xué)與工程分享至：

Ti-6Al-4V（TC4）是鈦合金中應(yīng)用最廣泛的一種，已應(yīng)用于外科、航空航天、汽車(chē)、海洋等行業(yè)中，占鈦合金總消耗量的75.85%。Ti-6Al-4V的廣泛應(yīng)用歸功于其簡(jiǎn)單的化學(xué)成分和良好的成形性，以及較好的強(qiáng)度和延展性。人們已經(jīng)做了大量的嘗試，希望經(jīng)濟(jì)有效地提高Ti-6Al-4V的力學(xué)性能，同時(shí)保持高比強(qiáng)度。微合金化是一種簡(jiǎn)單可行的方法。B的加入能夠促進(jìn)形核，細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度、塑性和疲勞性能，但導(dǎo)致Ti-6Al-4V合金的斷裂韌性較差。已有報(bào)道表明，Ti-6Al-4V中添加微量Fe可以改善澆鑄性，降低變形時(shí)的流動(dòng)應(yīng)力，同時(shí)提高強(qiáng)度和斷裂韌性，但是Fe對(duì)TC4組織性能的影響機(jī)制仍不明確。

南京工業(yè)大學(xué)的研究人員探討了Fe對(duì)Ti-6Al-4V（TC4-xF）合金鑄態(tài)經(jīng)均勻化處理后的組織和力學(xué)性能的影響，揭示均勻化、熱加工和時(shí)效處理合金中有利于屈服強(qiáng)度和斷裂韌性的關(guān)鍵組織特征。相關(guān)論文以題為“Microstructural strengthening and toughening mechanisms in Fe-containing Ti-6Al-4V: A comparison between homogenization and aging treated states”發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.04.063

本研究通過(guò)感應(yīng)熔煉制備不同F(xiàn)e含量的Ti-6Al-4V（TC4-xF，x為Fe含量），F(xiàn)e含量為0.1、0.3、0.5、0.7、0.9 wt.%，凝固后進(jìn)行800℃×3h均勻化處理（風(fēng)冷）。研究發(fā)現(xiàn)添加鐵后，原始β晶粒和團(tuán)簇得到細(xì)化。TC4-0.9F合金的β晶粒尺寸和團(tuán)簇尺寸最小。合金的質(zhì)量守恒和元素在α和β相之間的重新分配導(dǎo)致α相分?jǐn)?shù)降低，β相分?jǐn)?shù)增加。隨著鐵含量的增加，α/β片層的寬度變粗。Fe的加入對(duì)TC4至TC4-0.5F合金的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度有明顯的增強(qiáng)作用。TC4-0.7F和TC4-0.9F合金的強(qiáng)度保持較高，但有波動(dòng)。固溶強(qiáng)化對(duì)屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)最大，其次是團(tuán)簇細(xì)化。TC4-0.7F和TC4-0.9F的波動(dòng)屈服強(qiáng)度受團(tuán)簇大小和團(tuán)簇分?jǐn)?shù)之間的權(quán)衡影響。延伸率和斷裂韌性隨Fe含量的增加呈近似拋物線(xiàn)變化。TC4-0.5F的斷裂韌性最大，這是由于裂紋擴(kuò)展距離最長(zhǎng)的α/β片層具有最高的裂紋擴(kuò)展抗力。

圖1 TC4和TC4- xF合金在均勻化處理狀態(tài)下的力學(xué)性能

圖2 TC4和TC4- xF合金均勻化后的光學(xué)組織

圖3 TC4和TC4- xF合金的SEM圖

（a）TC4, （b） TC4-0.1F, （c） TC4-0.3F, （d） TC4-0.5F, （e） TC4-0.4F, （f） TC4-0.9F

圖4 TC4和TC4- xF合金均質(zhì)處理后的裂紋擴(kuò)展和裂紋附近的組織圖

Fe的強(qiáng)化效果在熱加工合金中最明顯，其次是均勻化合金和水淬時(shí)效合金。在爐冷的TC4-0.5F中，由于退火時(shí)間的延長(zhǎng)和冷卻速度的降低導(dǎo)致了軟化，強(qiáng)化效果不明顯。在不同鐵添加量的條件下，裂紋擴(kuò)展路徑類(lèi)型與合金的斷裂韌性密切相關(guān)，優(yōu)于其他微觀組織增韌因素。然而，對(duì)于化學(xué)成分不同、加工工藝不同的合金，高體積分?jǐn)?shù)的寬α片層是提高斷裂韌性的關(guān)鍵。

圖5 總結(jié)了TC4和TC4- xF合金在不同熱機(jī)加工條件下的力學(xué)性能

本文制備了含F(xiàn)e的Ti-6Al-4V合金，并對(duì)其進(jìn)行了均勻化熱處理。采用不同的表征方法，研究了鐵含量對(duì)合金組織特征和力學(xué)性能的影響。在微觀力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)唯象分析，推出與屈服強(qiáng)度和斷裂韌性相關(guān)的主要微觀結(jié)構(gòu)特征。將均勻化處理合金與熱加工和時(shí)效處理合金的強(qiáng)化和增韌特性進(jìn)行了比較。本文為航空航天工業(yè)用鈦合金的鐵元素強(qiáng)化/增韌作用提供了理論基礎(chǔ)。

免責(zé)聲明：本網(wǎng)站所轉(zhuǎn)載的文字、圖片與視頻資料版權(quán)歸原創(chuàng)作者所有，如果涉及侵權(quán)，請(qǐng)第一時(shí)間聯(lián)系本網(wǎng)刪除。