導(dǎo)讀：提出了一種利用同步時(shí)效進(jìn)行應(yīng)力松弛的方法來(lái)同時(shí)降低應(yīng)力松弛極限并增強(qiáng)鈦合金的機(jī)械強(qiáng)度。在600℃下對(duì)經(jīng)過(guò)固溶處理和時(shí)效處理的樣品進(jìn)行了應(yīng)力松弛測(cè)試，以研究微觀結(jié)構(gòu)演變與應(yīng)力松弛之間的相互作用。采用Kohlrausch-Williams-Watts方程來(lái)分析松弛動(dòng)力學(xué)。結(jié)果表明，施加的應(yīng)力促進(jìn)了αs（次生α）相的快速析出和生長(zhǎng)。與此同時(shí)，施加的應(yīng)力還誘導(dǎo)了αs相中孿晶的存在，導(dǎo)致了αs中彈性能量的松弛。反過(guò)來(lái)，相變和應(yīng)力誘導(dǎo)的孿晶都使應(yīng)力松弛極限降低了56%。此外，Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1 V合金在室溫和使用溫度下的抗拉強(qiáng)度分別提高了3.4%和9.2%。

彈簧回彈是使用鈦合金制造薄壁構(gòu)件過(guò)程中的長(zhǎng)期問(wèn)題，盡管這些構(gòu)件大多在高溫下形成。通過(guò)激活輕合金（如鈦合金和鋁合金）中的應(yīng)力松弛，可以緩解這種彈簧回彈。應(yīng)力松弛是指在高溫下，內(nèi)部應(yīng)力隨時(shí)間逐漸衰減，而總應(yīng)變保持不變的現(xiàn)象。由于其重要的工程應(yīng)用，已經(jīng)投入了相當(dāng)多的研究工作來(lái)探索應(yīng)力松弛機(jī)制，這些機(jī)制可以根據(jù)應(yīng)力指數(shù)值（n）通常分為三類：擴(kuò)散蠕變、同時(shí)擴(kuò)散和位錯(cuò)爬升以及單一位錯(cuò)爬升。然而，根據(jù)上述機(jī)制，增加溫度或松弛時(shí)間成為減少?gòu)椈苫貜椀某Ｓ梅椒ǎ@通常需要耗費(fèi)能量和時(shí)間。鈦合金的應(yīng)力松弛溫度范圍為500到800℃，松弛時(shí)間通常超過(guò)60分鐘。此外，增加溫度或松弛時(shí)間會(huì)導(dǎo)致鈦合金在該溫度范圍內(nèi)明顯失去強(qiáng)度（約為7.7%），這是由于擴(kuò)散增強(qiáng)。因此，需要新的機(jī)制來(lái)加速鈦合金的應(yīng)力松弛，而不損失其強(qiáng)度。

時(shí)效處理是鈦合金的一種標(biāo)準(zhǔn)熱處理方法，其溫度接近于應(yīng)力松弛的溫度。如果能夠?qū)?yīng)力松弛和時(shí)效結(jié)合起來(lái)，可能解決鈦合金應(yīng)力松弛過(guò)程中的強(qiáng)度損失問(wèn)題。最近，已經(jīng)在其他合金中開(kāi)發(fā)了同時(shí)進(jìn)行應(yīng)力松弛和時(shí)效處理的方法，例如鋁合金，在這種方法中，通過(guò)預(yù)變形產(chǎn)生的位錯(cuò)為T1前驅(qū)體析出物提供成核位點(diǎn)，從而降低應(yīng)力松弛極限并提高機(jī)械性能。鋁合金的應(yīng)力松弛和時(shí)效強(qiáng)化主要由位錯(cuò)和沉淀物之間的相互作用決定。受到鋁合金的啟發(fā)，近α或α+β鈦合金中的亞穩(wěn)態(tài)βt（轉(zhuǎn)變β）可以在應(yīng)力松弛與同步時(shí)效過(guò)程中分解為β相和αs（次生α），從而有效地增強(qiáng)鈦合金。βt的顯微組織包括殘留的β相和一些層片狀α，在鈦合金的兩相區(qū)溶液熱處理后通過(guò)水淬獲得。然而，尚未報(bào)道相變與應(yīng)力松弛之間的相互作用對(duì)應(yīng)力松弛極限和機(jī)械性能的影響。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了一種應(yīng)力松弛與同步時(shí)效相結(jié)合的方法，以同時(shí)加速應(yīng)力松弛并提高鈦合金的機(jī)械強(qiáng)度。有趣的是，在本文中觀察到了應(yīng)力松弛與同步時(shí)效過(guò)程中鈦合金的孿晶形成。大多數(shù)研究都關(guān)注孿晶對(duì)機(jī)械性能的影響，很少將其報(bào)告為應(yīng)力松弛機(jī)制之一。與這些研究不同的是，在本研究中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力誘導(dǎo)的孿晶在加速應(yīng)力松弛的同時(shí)保持高強(qiáng)度起到重要作用。此外，αs相的形成也有助于同時(shí)加速應(yīng)力松弛和提高強(qiáng)度，通過(guò)研究微觀結(jié)構(gòu)演變和應(yīng)力松弛之間的相互作用進(jìn)行驗(yàn)證。

采用由寶鈦股份有限公司提供的TA15鈦合金（Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1 V）板材，平均厚度為1.80mm。初始板材的顯微組織由精細(xì)的等軸α相和少量β相組成。應(yīng)力松弛測(cè)試樣品沿軋制方向加工。工藝路線示意圖如圖1所示。溶液處理溫度為950℃，時(shí)間為1800秒，隨后進(jìn)行水淬，樣品標(biāo)記為ST。溶液處理后進(jìn)行靜態(tài)時(shí)效處理，溫度為600℃，時(shí)間為7200秒，然后進(jìn)行空冷，樣品標(biāo)記為ST-AGE。應(yīng)力松弛試驗(yàn)在600℃下進(jìn)行，時(shí)間為7200秒（圖1(a)和(b)）。應(yīng)力松弛測(cè)試后的溶液處理樣品標(biāo)記為ST-SR，應(yīng)力松弛測(cè)試后的時(shí)效樣品標(biāo)記為AGE-SR。應(yīng)力松弛和拉伸測(cè)試使用帶有加熱爐的Shimadzu AGXplus電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，溫度誤差為±3℃。應(yīng)力松弛和拉伸測(cè)試的加載應(yīng)變速率為0.001 s^(-1)。所有測(cè)試均至少重復(fù)三次以確保可重復(fù)性。相關(guān)研究成果以題“Accelerated stress relaxation with simultaneously enhanced strength of titanium alloy by phase transformation and stress-induced twinning”發(fā)表在《Scripta Materialia》上。

圖1. 應(yīng)力松弛測(cè)試的處理路線示意圖。（a）ST-AGE和AGE-SR路線；（b）ST-SR路線。

圖2. 歸一化應(yīng)力松弛曲線和拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(a) 600℃下的應(yīng)力松弛曲線；(b) 室溫和500℃下初態(tài)、ST-AGE和ST-SR樣品的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(c) 初態(tài)、ST-AGE和ST-SR樣品室溫下的拉伸強(qiáng)度隨時(shí)間的演變；(d) 不同鈦合金的拉伸強(qiáng)度-延伸性能對(duì)比。

圖3. 應(yīng)力松弛前后的顯微結(jié)構(gòu)的透射電子顯微鏡（TEM）表征。（a）∼（c）ST樣品在經(jīng)歷0、150和7200秒老化后的顯微結(jié)構(gòu)；（d）應(yīng)力松弛150秒后的ST樣品的顯微結(jié)構(gòu)；（e）（d）中雙晶的高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像；（f）αp中的位錯(cuò)陣列；（g）αs的斷裂，（h）應(yīng)力松弛7200秒后ST樣品中的雙晶和（i）αp中的位錯(cuò)；（j）?（l）經(jīng)過(guò)應(yīng)力松弛7200秒的老化樣品的顯微結(jié)構(gòu)。

圖4. AGE-SR和ST-SR樣品的活化能隨弛豫時(shí)間演變的情況（a），以及應(yīng)力指數(shù)值（b）。 

圖5. 鈦合金在同步時(shí)效過(guò)程中的應(yīng)力松弛機(jī)制。（a）應(yīng)力松弛過(guò)程中機(jī)制的演變；（b?d）βt→β + αs相變過(guò)程中晶格的演變。

在同步時(shí)效過(guò)程中，應(yīng)力松弛過(guò)程中的另一個(gè)加速機(jī)制是應(yīng)力誘導(dǎo)析晶。這些孿晶釋放了αs中被抑制的彈性能量，從而使施加在孿晶尖端上的應(yīng)力集中。這種內(nèi)部應(yīng)力引起孿晶中的局部塑性變形，從而降低應(yīng)力。在緩慢松弛階段，從圖2(a)可以看出兩條應(yīng)力松弛曲線是平行的，這意味著機(jī)制是相同的。根據(jù)圖4(b)中的應(yīng)力指數(shù)和圖3(i)和(l)中的顯微結(jié)構(gòu)表征，主要機(jī)制是αp中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)伴隨著αs的斷裂。

片狀αs的析出是提高鈦合金機(jī)械性能的主要途徑之一，如圖2(b)、圖3(d)和(g)所示。此外，在應(yīng)力松弛過(guò)程中產(chǎn)生了大量的位錯(cuò)糾纏，起到位錯(cuò)強(qiáng)化的作用，如圖3(i)所示。此外，孿晶也出現(xiàn)在αs相中，如圖3(e)和(h)所示。這種孿晶的形成也可以增加鈦合金的工作硬化，提高其強(qiáng)度。因此，強(qiáng)化機(jī)制包括析出強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化和孿晶強(qiáng)化。由于應(yīng)力加速相變，ST-SR樣品在1800秒時(shí)的強(qiáng)度比靜態(tài)時(shí)效樣品高，而在應(yīng)力松弛的后期αs的生長(zhǎng)和斷裂導(dǎo)致靜態(tài)時(shí)效樣品在5400秒后略微更高。因此，通過(guò)考慮應(yīng)力松弛極限和強(qiáng)度，應(yīng)力松弛和時(shí)效時(shí)間可以從7200秒減少到約1800秒。

總之，應(yīng)力松弛與同步時(shí)效顯著降低了TA15鈦合金的應(yīng)力松弛極限。同時(shí)，ST-SR樣品在室溫和使用溫度下的抗拉強(qiáng)度分別提高了3.4%和9.2%。相變和應(yīng)力誘導(dǎo)的孿晶是早期加速應(yīng)力松弛的主要機(jī)制。在緩慢松弛階段，主要機(jī)制是αp中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)伴隨著αs的斷裂。主要的強(qiáng)化機(jī)制包括析出強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化和孿晶強(qiáng)化。