實驗和模擬方法研究Ti-10V-2Fe-3V合金在β單相區(qū)加工過程中的動態(tài)再結(jié)晶

鈦合金具有低密度、高比強度、優(yōu)良的抗腐蝕性和高溫力學(xué)性能，作為結(jié)構(gòu)材料廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域。通常采用熱機械方式對鈦合金進行加工，通過調(diào)控合金的顯微組織來獲得應(yīng)用所需的綜合力學(xué)性能，進而延長材料的服役壽命。一般來講，根據(jù)加工溫度范圍的不同，鈦合金的熱加工方式分為兩種：α+β兩相區(qū)加工和β單相區(qū)加工。在α+β兩相區(qū)加工的鈦合金具有等軸組織，即等軸的α相分布在β基體上，該組織特征的合金具有較高的塑性和熱穩(wěn)定性，但高溫力學(xué)性能和斷裂韌性較差；而在β單相區(qū)加工的鈦合金具有片層組織，片層狀的α相分布于β基體上，該組織特征的合金具有良好的高溫蠕變性能、沖擊韌性和斷裂韌性，但塑性較差，嚴重制約了其廣泛應(yīng)用。然而，通過細化晶粒的方式，可以有效提高在β單相區(qū)加工的鈦合金的強度和塑性。

動態(tài)再結(jié)晶是鈦合金熱加工過程中細化晶粒的一種有效方式，合金在β單相區(qū)進行熱加工后，可以使得初生β晶粒得到顯著的細化，這對提高具有片層組織β鈦合金的塑性起到?jīng)Q定性的作用。香港理工大學(xué)科研人員旨在通過實驗和模擬的方法來研究Ti-10V-2Fe-3V合金在熱加工過程中的動態(tài)再結(jié)晶行為，系統(tǒng)研究應(yīng)變、應(yīng)變速率和變形溫度與動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生程度的關(guān)系。模擬過程分兩步進行：第一步通過DEFORM-3D三維有限元分析軟件構(gòu)建鈦合金的動態(tài)再結(jié)晶本構(gòu)方程；第二步采用元胞自動機法，模擬Ti-10V-2Fe-3V合金在β單相區(qū)熱加工過程中動態(tài)再結(jié)晶組織的演變過程。

通過熱模擬壓縮試驗，研究了Ti-10V-2Fe-3V合金在變形溫度為1 098～1 423 K，變形速率為0.001～1 s-1下熱變形條件對動態(tài)再結(jié)晶的影響。研究結(jié)果表明：合金在β單相區(qū)高溫、低應(yīng)變速率變形時，變形機制為晶界弓出形核的動態(tài)再結(jié)晶。當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.6時，出現(xiàn)了不完全的動態(tài)再結(jié)晶，局部晶粒出現(xiàn)細化。完全動態(tài)再結(jié)晶在大部分變形條件下所需的穩(wěn)態(tài)應(yīng)變較大。完全動態(tài)再結(jié)晶可以在變形溫度為1 223 K以下、應(yīng)變速率為0.01 s-1以上，應(yīng)變大于4.9的劇烈變形時產(chǎn)生。動態(tài)再結(jié)晶晶粒在1 423 K時迅速長大。在變形溫度為1 423 K以上、應(yīng)變速率為0.001 s-1以下時，可以觀察到動態(tài)再結(jié)晶后的粗大晶粒。

程軍譯自《Materials Science and Engineering A》