編輯推薦：強度與韌性的平衡一直是阻礙鈦合金應用前景的關鍵問題。為解決這一問題，本文采用深冷軋制結合短周期真空退火的方法對Ti-6Al-4V鈦合金進行熱處理，與近年來報道的其他軋制型鈦合金相比達到最高。在低溫軋制Ti-6Al-4V薄板短周期退火過程中，細小β相顆粒的釘扎效應和α-β晶粒間的競爭機制抑制了晶粒的粗化。同時，部分回復和再結晶使超細晶和微晶相結合。退火后剪切帶組織減弱，為斷裂前均勻變形提供了更有利的條件，有利于韌性的增強。該方法適用于大規模工業生產高強度、高韌性的Ti-6Al-4V合金，也可應用于其他類型的鈦合金。

軋制鈦合金薄板比其他塑性變形的鈦合金具有更大的工業應用潛力。與熱軋和冷軋相比，深冷軋制（CR）可以顯著細化晶粒并引入額外的位錯，通過抑制塑性變形過程中的動態恢復來加強材料。而EL隨著屈服后加工硬化而迅速下降。然而，很少有關于開發一些方法以提高鈦合金強度而不犧牲其塑性的報道。退火工藝可以增加軋制鈦合金的延展性，最近一些純鈦板的報道表明，冷軋結合后續退火可以有效地調整組織，獲得高強度和高塑性。然而，目前還沒有關于CR鈦合金在<0.5Tm(熔化溫度)下進行短周期退火以獲得高強度和高韌性的報道。

來自中南大學的喻海良團隊研究了Ti-6Al-4V板材深冷軋制及后續短周期真空退火過程中組織演變規律，建立組織與力學性能之間的關系。此外，從相分布和局部剪切帶的發展等方面討論了Ti-6Al-4V板材的塑性變形行為。相關論文以題“High strength and toughness of Ti–6Al–4V sheets via cryorolling and short-period annealing”發表在Materials Science & Engineering A。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.143766

圖1 EBSD得到Ti-6Al-4V樣品的反極圖、相分布和晶粒分布。

原始組織由等軸α晶粒和短棒β晶粒組成，CR后，晶界處分布著細長的β晶粒。隨著后續退火溫度的升高，晶粒逐漸長大，并表現出明顯的球化行為。隨著退火溫度的升高，HAGBs逐漸增加，LAGBs主要分布在晶粒中，LAGBs可以在一定程度上表征材料中的位錯水平。973 K退火后，位錯密度仍然很高，這是保持樣品高強度的關鍵。

圖2 室溫單軸拉伸試驗分析后的折線圖。

CR后試樣的UTS增加，而EL明顯降低；在隨后的退火過程中，UTS先升高后降低，而EL則相反。加工硬化速率可以看出，CR和CR-573 K試樣在塑性變形開始后，加工硬化速率迅速降低至0。隨著退火溫度上升到673 K以上，加工硬化速率逐漸增加。由于熱處理的保溫時間短，在973 K下退火的樣品硬度與CR樣品相似，表明保持良好的熱穩定性。

圖3 Ti-6Al-4V試樣在拉伸斷口附近的縱向組織

CR樣品中，微孔主要沿剪切帶分布。在剪切帶中部可見微空洞延伸和裂紋擴展，剪切帶也相互交錯，導致斷裂的鋸齒狀形貌。當退火溫度低于773 K時，剪切帶不穩定導致微孔快速成核和膨脹，降低了試樣的塑性。當退火溫度達到973 K時，基體中剪切帶結構的分布被稀釋，而且，微孔在拉伸變形過程中的形成更加隨機，裂紋的形核和擴展變得更加困難，塑性也得到了提高。

圖4 不同試樣的斷裂模式示意圖。

由于大量的位錯、亞晶等亞結構傾向于聚集在CR后形成的局部剪切帶中，因此在這些區域通常存在應力集中和開裂。此外，細β相與剪切帶中α相之間的弱界面也是裂紋更容易成核的地方。在拉伸變形過程中，剪切帶的運動受到β相或晶界的阻礙，導致大量的局部應力。裂縫和空隙在這些位置迅速成核和傳播，最終導致斷裂。隨著退火溫度的升高，在高變形儲能區中會發生優先回復、成核和結晶，從而改善微觀結構均勻性。因此，裂紋和空隙的成核更加隨機，樣品可以承受更大的變形并表現出優異的塑性。

圖5  比較與其他軋制鈦合金性能

該材料通常以犧牲延展性為代價獲得更高的強度，文章比較了軋制方法制備的一些典型鈦合金的機械性能。CR和隨后的真空退火制備的Ti-6Al-4V片具有更好的強度和延展性組合。

通常，經歷過嚴重塑性變形的金屬表現出更高的強度，但其EL和加工硬化率降低。在較高溫度下退火后，低位錯密度和異質組織界面為加工硬化提供了足夠的空間，增強了延展性。從工業制造的角度來看，結合工藝強化低合金鈦合金可能是未來大規模生產更經濟可行的方法。