动态加载时β钛合金马氏体相变研究.pdf

动态加载时 β 钛合金马氏体相变研究 ① 钟艳梅１， 汪冰峰１，２， 丁 旭１， 张晓泳２， 樊 凯３， 冯抗屯４， 谢 静５， 王海鹏６， 雷家峰７ （１．中南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 ４１００８３； ２．中南大学 粉末冶金国家重点实验室，湖南 长沙 ４１００８３； ３．湖南金天钛业科技有限公司，湖 南 常德 ４１３０００； ４．中航飞机起落架有限公司，湖南 长沙 ４１００８３； ５．中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司，四川 德阳 ６１８０００； ６．西安三 角防务股份有限公司，陕西 西安 ７１００８９； ７．中国科学院金属研究所，辽宁 沈阳 １１００１６） 摘 要 为了研究应变速率对 β 钛合金马氏体相变的影响，采用分离式霍普金森压杆对 Ｔｉ⁃５Ａｌ⁃５Ｍｏ⁃５Ｖ⁃１Ｃｒ⁃１Ｆｅ β 钛合金进行了不 同应变速率下（４００～１ ６００ ｓ －１ ）的动态变形，采用光学显微镜、电子背散射衍射和透射电镜研究了动态变形后的微观组织。 结果表明， 提高冲击功和应变速率可以提高 Ｔｉ⁃５Ａｌ⁃５Ｍｏ⁃５Ｖ⁃１Ｃｒ⁃１Ｆｅ β 钛合金的屈服强度，当应变速率为 １ ６００ ｓ －１ 时，屈服强度可达 １ ２５０ ＭＰａ。 在动态冲击过程中，β 晶粒中出现大量板条状 α′马氏体，马氏体的面积分数随应变速率的增加而增大，说明应变速率对 β 钛合金的 马氏体相变起着重要作用。 应变速率会加速马氏体相变，是因为随着应变速率增加，马氏体的形核位置更多，马氏体形成的吉布斯 自由能降低。 关键词 钛合金； 动态加载； 冲击诱导马氏体相变； 力学性能 中图分类号 ＴＢ３０１文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０２１．０１．０２８ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０２１）０１－０１１９－０５ Ｍａｒｔｅｎｓｉｔｉｃ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ β Ｔｉｔａｎｉｕｍ Ａｌｌｏｙ Ｕｎｄｅｒ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｌｏａｄｉｎｇ ＺＨＯＮＧ Ｙａｎ⁃ｍｅｉ１， ＷＡＮＧ Ｂｉｎｇ⁃ｆｅｎｇ１，２， ＤＩＮＧ Ｘｕ１， ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏ⁃ｙｏｎｇ２， ＦＡＮ Ｋａｉ３， ＦＥＮＧ Ｋａｎｇ⁃ｔｕｎ４， ＸＩＥ Ｊｉｎｇ５， ＷＡＮＧ Ｈａｉ⁃ｐｅｎｇ６， ＬＥＩ Ｊｉａ⁃ｆｅｎｇ７ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８３， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｐｏｗｄｅｒ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ， Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８３， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ； ３． Ｈｕｎａｎ Ｇｏｌｄ Ｓｋｙ Ｔｉｔａｎｉｕｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ Ｌｔｄ， Ｃｈａｎｇｄｅ ４１３０００， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ； ４．ＡＶＩＣ Ｌａｎｄｉｎｇ Ｇｅａｒ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｃｏｒｐ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８３， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ； ５．Ｃｈｉｎａ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｒｚｈｏｎｇ Ｇｒｏｕｐ Ｄｅｙａｎｇ Ｗａｎｈａｎｇ Ｄｉｅ Ｆｏｒｇｉｎｇ Ｃｏ Ｌｔｄ， Ｄｅｙａｎｇ ６１８０００， Ｓｉｃｈｕａｎ， Ｃｈｉｎａ； ６．Ｘｉ′ａｎ Ｔｒｉａｎｇｌｅ Ｄｅｆｅｎｓｅ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ Ｃｏｍｐａｎｙ， Ｘｉ′ａｎ ７１００８９， Ｓｈａａｎｘｉ， Ｃｈｉｎａ； ７．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１００１６， Ｌｉａｏｎｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｔｒａｉｎ ｒａｔｅ ｏｎ ｍａｒｔｅｎｓｉｔｉｃ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ β ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ， ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｔｉ⁃５Ａｌ⁃５Ｍｏ⁃５Ｖ⁃１Ｃｒ⁃１Ｆｅ β⁃ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｔｒａｉｎ ｒａｔｅｓ （４００～１ ６００ ｓ －１ ） ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｓｐｌｉｔ Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂａｒ （ＳＰＨＢ）． Ｔｈｅｎ， ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｆｔｅｒ ｄｙｎａｍｉｃ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ， ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｙｉｅｌｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ Ｔｉ⁃５Ａｌ⁃５Ｍｏ⁃５Ｖ⁃１Ｃｒ⁃１Ｆｅ β ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｃａｎ ｂｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｓｔｒａｉｎ ｒａｔｅ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｔｒａｉｎ ｒａｔｅ ａｔ １ ６００ ｓ －１ ， ｔｈｅ ｙｉｅｌｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃａｎ ｒｅａｃｈ １ ２５０ ＭＰａ． Ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｉｍｐａｃｔ ｐｒｏｃｅｓｓ， ａ ｌａｒｇｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｌａｔｈ⁃ｓｈａｐｅｄ α′⁃ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ ａｐｐｅａｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅ β ｇｒａｉｎｓ， ａｎｄ ｔｈｅ ａｒｅａ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒａｉｎ ｒａｔｅ， ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｒａｉｎ ｒａｔｅ ｐｌａｙｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ β ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ． Ｔｈｅ ｓｔｒａｉｎ ｒａｔｅ ｃａｎ ａｃｃｅｌｅｒａｔｅ ｔｈｅ ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ， ｂｅｃａｕｓｅ ａｓ ｔｈｅ ｓｔｒａｉｎ ｒａｔｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ， ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｍｏｒｅ ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ ｓｉｔｅｓ ｆｏｒ ｍａｒｔｅｎｓｉｔｉｃ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ Ｇｉｂｂｓ ｆｒｅｅ ｅｎｅｒｇｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ； ｄｙｎａｍｉｃ ｌｏａｄｉｎｇ； ｉｍｐａｃｔ⁃ｉｎｄｕｃｅｄ ｍａｒｔｅｎｓｉｔｉｃ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ； ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ①收稿日期 ２０２０－０７－２１ 基金项目 粉末冶金国家重点实验室自主课题（６０１０２１７２１）；湖南省创新科技项目（２０１７ＧＫ２２９２）；国家自然基金面上项目（５１７７１２３１） 作者简介 钟艳梅（１９９５－），女，湖北黄冈人，硕士研究生，主要研究方向为钛合金动态力学性能及微观结构。 通讯作者 汪冰峰（１９７８－），男，湖南岳阳人，教授，博士，主要从事材料动态行为研究。 第 ４１ 卷第 １ 期 ２０２１ 年 ０２ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．４１ №１ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０２１ 万方数据 a β 钛合金具有较高的比强度、比刚度和良好的耐 腐蚀性，满足轻量化、长寿命、高可靠性的设计要 求［１－３］，从而被广泛应用于航空航天领域［４－６］。 β 钛合 金性能和使用寿命的进一步提高一直是材料科学家追 求的目标，但是目前的研究主要集中于 β 钛合金在准静 态条件下响应［７－８］。 然而，β 钛合金作为一种大型结构 构件，不仅要承受准静态载荷，而且在许多情况下也要 承受动态载荷，如飞机起落架［９－１０］。 在动态载荷下，高 应变速率冲击对结构件的寿命和性能有着至关重要的 影响。 因此，有必要对 β 钛合金的动态力学行为和微 观组织进行研究。 本文研究了 Ｔｉ⁃５Ａｌ⁃５Ｍｏ⁃５Ｖ⁃１Ｃｒ⁃１Ｆｅ β 钛合金在动态载荷下的力学响应，并讨论了应变速 率对动态加载时 Ｔｉ⁃５Ａｌ⁃５Ｍｏ⁃５Ｖ⁃１Ｃｒ⁃１Ｆｅ β 钛合金马 氏体相变的影响。 １ 实验材料与方法 实验原材料为金天钛业生产的锻造状态的 Ｔｉ⁃ ５Ａｌ⁃５Ｍｏ⁃５Ｖ⁃１Ｃｒ⁃１Ｆｅ 钛合金，其化学成分见表 １。 将 原材料在 ９２０ ℃下保温 ２ ｈ 后用水淬火，得到 Ｔｉ⁃５Ａｌ⁃ ５Ｍｏ⁃５Ｖ⁃１Ｃｒ⁃１Ｆｅ β 钛合金。 处理后材料的微观结构如 图 １ 所示，Ｔｉ⁃５Ａｌ⁃５Ｍｏ⁃５Ｖ⁃１Ｃｒ⁃１Ｆｅ β 钛合金只含有单 一 β 相，β 晶粒平均尺寸约为 ６００ μｍ。 表 １ Ｔｉ⁃５Ａｌ⁃５Ｍｏ⁃５Ｖ⁃１Ｃｒ⁃１Ｆｅ 钛合金化学成分（质量分数） ／ ％ ＡｌＭｏＶＣｒＦｅＴｉ ５．９５５．３１４．２４１．２７１．１８余量 图 １ Ｔｉ⁃５Ａｌ⁃５Ｍｏ⁃５Ｖ⁃１Ｃｒ⁃１Ｆｅ β 钛合金的原始微观组织 （ａ） 金相图片； （ｂ） ＩＰＦ 图片 将固溶处理后的 Ｔｉ⁃５Ａｌ⁃５Ｍｏ⁃５Ｖ⁃１Ｃｒ⁃１Ｆｅ β 钛合 金制成尺寸为 Φ６ ｍｍ ７．２ ｍｍ 的圆柱形试件，并采 用分离式霍普金森压杆（ＳＨＰＢ）进行高应变速率冲击 压缩试验。 ＳＨＰＢ 的压杆材料为优质合金钢，其弹性 模量为 ２００ ＧＰａ，直径 １４．５ ｍｍ，密度 ７ ８００ ｋｇ／ ｍ３。 表 ２ 列出了所有试样的动态变形条件。 １＃～４＃样品不加 控制环进行冲击变形，通过对真应力应变曲线进行积 分计算出每个样品的冲击能。 为了研究应变速率对显 微组织的影响，对 ５＃和 ６＃样品采用控制环来获得与 ４＃ 样品相同的真应变，应变值为 ０．１０８。 圆柱形样品在动 态加载变形过程中的真应力、应变速率、真应变可通过 入射信号、透射信号计算得出。 表 ２ 样品的动态加载条件 样品 序号 加载速度 ／ （ｍｓ －１ ） 应变速率 ／ ｓ －１ 真应变 冲击能 ／ （Ｊｍ －３ ） １＃１２．５９４０００．０２２４ ６３０ ２＃１６．２６８３００．０５２１１ ０６０ ３＃１７．８８１ １０００．０７４１４ ７６０ ４＃１９．１０１ ４０００．１０８１９ ０３０ ５＃１７．５０１ ３０００．１０８ ６＃１９．１０１ ６０００．１０８ 将动态变形后的试样沿轴向切割，用金相砂纸打 磨、抛光样品表面后，采用５ ｍＬ ＨＦ＋１０ ｍＬ ＨＮＯ３＋８５ ｍＬ Ｈ２Ｏ 溶液进行侵蚀，随后在 ＰＯＬＹＶＡＲ⁃ＭＥＴ 光学显微 镜（Ｉｎｓｐｉｒａｔｅｃｈ ２０００ Ｌｔｄ，英国）下观察显微组织。 用金 相砂纸打磨样品后，采用 ５ ｍＬ ＨＣｌＯ３＋ ９５ ｍＬ Ｃ２Ｈ５Ｏ 溶液对样品进行电解抛光，随后在 ＥＶＯＭＡ１０ 扫描电 子显微镜（ＺＥＩＳＳ，德国）上观察，工作电压为 ２０ ｋＶ。 ＥＢＳＤ 的数据采用 Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｍｃｒｏｓｃｏｐｙ ＴＳＬ 软 件（ＥＤＡＸ Ｉｎｃ，美国）进行分析。 沿动载方向将试样切 成 ０．３ ｍｍ 厚的薄片，用５０ ｍＬ ＨＣｌＯ３＋３５０ ｍＬ Ｃ４Ｈ１０ Ｏ＋ ６００ ｍＬ ＣＨ４Ｏ 溶液对切片进行电解双喷， 然后在 ＴＥＣＮＡＩ Ｇ２ ２０ＳＴ 透射电子显微镜（ＦＥＩ，荷兰） 上观 察，工作电压为 ２００ ｋＶ。 ２ 实验结果 ２．１ β 钛合金的动态响应 图 ２ 描述了 Ｔｉ⁃５Ａｌ⁃５Ｍｏ⁃５Ｖ⁃１Ｃｒ⁃１Ｆｅ β 钛合金动 态变形过程中的动态力学响应。 ５＃和 ６＃样品由于在动 态试验过程中增加了止动环而无法给出其真应力⁃应 变曲线。 由图 ２ 可知，β 钛合金的冲击能随着应变速 率增加而逐渐增加；β 钛合金的屈服强度随应变速率 和冲击能增加而增加，当应变速率为 １ ６００ ｓ －１ 时，屈服 强度可达 １ ２５０ ＭＰａ。 ２．２ β 钛合金动态加载后的微观组织 图 ３、图 ４ 分别为不同动态冲击能、不同应变速率 下的 Ｔｉ⁃５Ａｌ⁃５Ｍｏ⁃５Ｖ⁃１Ｃｒ⁃１Ｆｅ β 钛合金的光学显微照 片。 由图 ３ 可以看出，在原始的 β 晶粒中出现了大量 的平行或交错的针状组织，并且针状组织含量随着冲 击能量增加而增加。 图 ４ 中 ３ 个样品的真实应变值是 相同的，但应变速率不同，可以看出，针状组织的含量 随应变速率提高而增加。 ０２１矿 冶 工 程第 ４１ 卷 万方数据  CA 1800 1500 1200 900 600 300 0 0.030.000.060.090.120.15 CA4MPa A;5s-1 20 16 12 8 4 0 40083011001400 *06kJ m-3 *06kJ m-3 1200 1160 1120 1080 1040 1000 48121620 9-8,MPa A;5s-1 1300 1250 1200 1150 1100 1050 1300140015001600 9-8,MPa 18 28 38 48                                                                                                        18 28 38 48     ab cd 图 ２ Ｔｉ⁃５Ａｌ⁃５Ｍｏ⁃５Ｖ⁃１Ｃｒ⁃１Ｆｅ β 钛合金的动态响应 （ａ） 真应力⁃应变曲线； （ｂ） 冲击能⁃应变速率曲线； （ｃ） 屈服强度⁃冲击能曲线； （ｄ） 屈服强度⁃应变速率曲线 图 ３ Ｔｉ⁃５Ａｌ⁃５Ｍｏ⁃５Ｖ⁃１Ｃｒ⁃１Ｆｅ β 钛合金在不同冲击能 条件下的光学显微图片 （ａ） １＃样品； （ｂ） ２＃样品； （ｃ） ３＃样品； （ｄ） ４＃样品 图 ４ Ｔｉ⁃５Ａｌ⁃５Ｍｏ⁃５Ｖ⁃１Ｃｒ⁃１Ｆｅ β 钛合金在不同应变速率 条件下的光学显微图片 （ａ） ５＃样品； （ｂ） ４＃样品； （ｃ） ６＃样品 图 ５ 为 Ｔｉ⁃５Ａｌ⁃５Ｍｏ⁃５Ｖ⁃１Ｃｒ⁃１Ｆｅ β 钛合金动态加 载后的微观组织。 从图 ５（ａ）可以看到，平行的板条状马氏体从晶界 处开始向晶粒内部生长，将原始粗大的 β 晶粒进行分 割，实现晶粒细化。 图 ５（ｂ）和（ｃ）中白色区域代表 β 相，黑色区域代表由动态载荷产生的马氏体相，显然， 在 １ ６００ ｓ －１ 的应变速率下形成的马氏体比在 １ １００ ｓ －１ 的应变速率下形成的马氏体更多，这与图 ３ 和图 ４ 中 观察到的结果相同。 图 ６ 为变形前后 β 钛合金原始组织的明场电子 显微照片和衍射斑点。 β 钛合金原始组织为 ＢＣＣ 立 方结构。 β 钛合金动态变形后 β 晶粒中产生宽度约 ０．３ μｍ 的平行板条马氏体，马氏体的面积分数随着应 变速率提高而增加。 １２１第 １ 期钟艳梅等 动态加载时 β 钛合金马氏体相变研究 万方数据 回翟磁a ● ● ● ● 露 醚 ● ● ● ● ● 重 ● ● 0 2 0 _ ● ● 悄 ＼、 覆 0 - ● ● ．。1 淀二 ● ● ● ● 1 Ⅻ一满篱 叵 囱 图 ５ Ｔｉ⁃５Ａｌ⁃５Ｍｏ⁃５Ｖ⁃１Ｃｒ⁃１Ｆｅ β 钛合金变形后样品的 ＥＢＳＤ 分析 （ａ） １ ６００ ｓ －１ 下变形样品 ＩＰＦ 图； （ｂ） １ １００ ｓ －１ 下变形样品相分布图； （ｃ） １ ６００ ｓ －１ 下变形样品相分布图 图 ６ Ｔｉ⁃５Ａｌ⁃５Ｍｏ⁃５Ｖ⁃１Ｃｒ⁃１Ｆｅ β 钛合金变形前后的 明场电子显微照片和衍射斑点 （ａ） 变形前； （ｂ） 变形后 ３ 讨 论 以上实验结果表明，动态变形后的 Ｔｉ⁃５Ａｌ⁃５Ｍｏ⁃ ５Ｖ⁃１Ｃｒ⁃１Ｆｅ β 钛合金中会出现大量平行的板条状马氏 体。 对图 ３ 和图 ４ 的金相照片进行数字化处理，统计 给定面积内的马氏体相的占比，得到冲击能、应变速率 与马氏体含量关系曲线见图 ７。 由图 ７ 可以看出，马 氏体含量随着冲击能和应变速率增加而增加。 图 ８ 显 示出了马氏体含量对 Ｔｉ⁃５Ａｌ⁃５Ｍｏ⁃５Ｖ⁃１Ｃｒ⁃１Ｆｅ β 钛合 金的动态屈服强度的影响。 由图 ８ 可知，随着应变速率 增加，马氏体含量增加，从而提高了 β 钛合金强度。 因 此，在动态冲击下，应变速率对 Ｔｉ⁃５Ａｌ⁃５Ｍｏ⁃５Ｖ⁃１Ｃｒ⁃１Ｆｅ β 钛合金的马氏体相变起重要作用。     *06kJ 30 27 24 21 18 15 12 4080120160200 5;/4    A;5s-1 50 40 30 20 10 1300140015001600 5;/4 b a 图 ７ 马氏体含量与应变速率和冲击能量的关系 （ａ） 马氏体含量⁃冲击能曲线； （ｂ） 马氏体含量⁃应变速率曲线      5;/4 1300 1250 1200 1150 1100 1050 1000 151020253540304550 9-8,MPa 图 ８ 马氏体含量对 β 钛合金屈服强度的影响 文献［１１］指出应变速率对马氏体相变的影响是 非单调的，而是 ２ 个因素的结合热效应和正效应，可 以表示如下 ｄｆβ ｄε ＝－ Ｋ（Ｔ，̇ ε）ｆβεα（１） Ｋ（Ｔ，̇ ε） ＝ ｓ（ ̇ ε） ｔ（Ｔ，̇ ε） （２） 式中 εα和 ̇ ε 分别为真实应变和应变速率； α 和 Ｔ 分 别为材料常数和绝对温度； ｆβ为瞬时保留的基体的体 积分数；ｓ（ ̇ ε）和 ｔ（Ｔ，̇ ε）分别为应变速率对马氏体相变 的正效应和热效应。 钛合金的导热系数很小，几乎所 ２２１矿 冶 工 程第 ４１ 卷 万方数据 有的热效应都是由试样中存储的冲击能引起的。 当应 变速率的增加使系统达到绝热状态时，热效应几乎保 持恒定，由应变速率引起的温度升高几乎不会增加，即 ｔ（Ｔ，̇ ε）不再增加。 与此同时，根据公式（３） ［１２］ 可知， 应变速率增加会使 Ｚｅｎｅｒ⁃Ｈｏｌｌｏｍｏｎ 参数也增加，马氏 体相变吉布斯自由能不断减小，马氏体形核点数量增 加，从而促进马氏体的产生。 这是应变速率引起的正 效应起作用。 因此，在高应变速率变形过程中，应变速 率引起的正效应在马氏体相变中起主导作用，马氏体 含量随应变速率增加而增加。 Ｚ ＝ ̇ εｅｘｐ Ｑ ＲＴ （３） 式中 Ｑ 为热激活能；Ｒ 为气体常数；Ｔ 为绝对温度。 Ａｋｓａｋａｌ［１３］和 Ｄａｖｉｅｓ［１４］等人在双相钢的研究中， 发现马氏体的体积分数是控制双相钢强度和延性的主 要因素。 这主要是由于① 马氏体相本身是高强度 相；② 马氏体的产生对位错滑移有钉扎作用，从而提 高了屈服强度。 所以在动态变形过程中，随着马氏体 含量增加，钛合金屈服强度会随之增加。 ４ 结 论 １） Ｔｉ⁃５Ａｌ⁃５Ｍｏ⁃５Ｖ⁃１Ｃｒ⁃１Ｆｅ β 钛合金的屈服强度 随应变速率和冲击能增加而增加，应变速率为 １ ６００ ｓ －１ 时 β 钛合金屈服强度可达到 １ ２５０ ＭＰａ。 ２） Ｔｉ⁃５Ａｌ⁃５Ｍｏ⁃５Ｖ⁃１Ｃｒ⁃１Ｆｅ β 钛合金在动态冲击 下发生马氏体相变，冲击诱发的马氏体面积分数随应 变速率和冲击能增加而增加。 ３） 在高应变速率变形过程中，应变速率引起的正 效应在马氏体相变中起主导作用，应变速率增加会使 Ｚｅｎｅｒ⁃Ｈｏｌｌｏｍｏｎ 参数增加，马氏体相变吉布斯自由能 不断减小，马氏体形核点数量增加，从而促进马氏体的 产生。 参考文献 ［１］ 刘岚逸，汪冰峰，张晓泳，等． ＴＣ１８ 钛合金中剪切局域化及其微观 结构研究［Ｊ］． 矿冶工程， ２０１８，３８（４）１４９－１５１． ［２］ 彭柳锋，段柏华，林高用，等． ２Ａ１２ 铝合金锻件成形的有限元模拟［Ｊ］． 矿冶工程， ２０１７，３７（５）９９－１０４． ［３］ Ｓａｄｅｇｈｐｏｕｒ Ｓ， Ａｂｂａｓｉ Ｓ Ｍ， Ｍｏｒａｋａｂａｔｉ Ｍ， ｅｔ ａｌ． Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ａｌｐｈａ ｐｈａｓｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｔｅｎｓｉｌｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ａ ｎｅｗ ｂｅｔａ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ［Ｊ］． Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ， ２０１７，１２１（５）２４－３５． ［４］ ＳＨＥＮ Ｃ， ＷＡＮＧ Ｃ， ＣＨＥＮ Ｈ Ｈ． ｅｔ ａｌ． Ａｄｖａｎｃｅｄ ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｅ⁃ ｑｕｉａｘｅｄ Ｔｉ⁃６Ａｌ⁃４Ｖ ａｌｌｏｙｓ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｖｉａ ａｎ ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｌｌｏｙｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ， ２０１６，６５７７９４－８００． ［５］ ＴＡＮＧ Ｂｏ， ＴＡＮＧ Ｂｉｎ， ＨＡＮ Ｆｅｎｇｂｏ， ｅｔ ａｌ． Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｓｔｒａｉｎ ｒａｔｅ ｏｎ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎｄｕｃｅｄ ｍａｒｔｅｎｓｉｔｉｃ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ β ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｒｅａｔｅｄ ＴＢ８ ａｌｌｏｙ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｌｌｏｙｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ， ２０１３，５６５１－５． ［６］ Ｓａｄｅｇｈｐｏｕｒ Ｓ， Ａｂｂａｓｉ Ｓ， Ｍｏｒａｋａｂａｔｉ Ｍ， ｅｔ ａｌ． Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ⁃ｉｎｄｕｃｅｄ ｍａｒｔｅｎｓｉｔｉｃ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ ａ ｎｅｗ ｍｅｔａｓｔａｂｌｅ β ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｌｌｏｙｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ， ２０１５，６５０２２－２９． ［７］ ＬＵＯ Ｘ， ＬＩＵ Ｌ Ｈ， ＹＡＮＧ Ｃ， ｅｔ ａｌ． Ｏｖｅｒｃｏｍｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ⁃ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ ｔｒａｄｅ⁃ｏｆｆ ｂｙ ｔａｉｌｏｒｉｎｇ ｇｒａｉｎ⁃ｂｏｕｎｄａｒｙ ｍｅｔａｓｔａｂｌｅ Ｓｉ⁃ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｐｈａｓｅ ｉｎ β⁃ｔｙｐｅ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． ２０２１，６８１１２－１２３． ［８］ ＷＡＮＧ Ｊ， ＺＨＡＯ Ｙ Ｑ， ＺＨＯＵ Ｗ， ｅｔ ａｌ． Ｉｎ⁃ｓｉｔｕ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｅｎ⁃ ｓｉｌｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｂｅｈａｖｉｏｒｓ ｏｆ ａ ｎｅｗ ｍｅｔａｓｔａｂｌｅ β ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ［Ｊ］． Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａ， ２０２１，７９９１４０－１８７． ［９］ ＸＩＡＯ Ｊ， ＮＩＥ Ｚ， ＴＡＮ Ｃ， ｅｔ ａｌ． Ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔａｓｔａ⁃ ｂｌｅ β ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ Ｔｉ⁃２Ａｌ⁃９．２Ｍｏ⁃２Ｆｅ ａｔ ａｍｂｉｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ［Ｊ］． Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａ， ２０１９，７５１１９１－２００． ［１０］ Ｒａｌｐｈ Ｂ． Ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙｓ ａｎ ａｔｌａｓ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ［Ｊ］． Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ， ２００８，５９（３）３４８． ［１１］ ＺＯＵ Ｄ Ｑ， ＬＩ Ｓ Ｈ， ＨＥ Ｊ， ｅｔ ａｌ． Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ Ｓｔｒａｉｎ ｒａｔｅ ｄｅ⁃ ｐｅｎｄｅｎｔ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｍａｒｔｅｎｓｉｔｉｃ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｆｌｏｗ Ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ Ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ａｎｄ Ｐａｒｔｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｔｅｅｌｓ［Ｊ］． Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａ， ２０１６，６８０（５）５４－６３． ［１２］ Ｚｅｎｅｒ Ｃ， Ｈｏｌｌｏｍｏｎ Ｊ Ｈ． Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｔｒａｉｎ ｒａｔｅ ｕｐｏｎ ｐｌａｓｔｉｃ ｆｌｏｗ ｏｆ ｓｔｅｅｌ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， １９４４，１５（１）２２－３２． ［１３］ Ａｋｓａｋａｌ Ｂ， Ｋａｒａｃａ Ｆ， Ａｒｉｋａｎ Ｒ， ｅｔ ａｌ． Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ ｖｏｌｕｍｅ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｄｕａｌ⁃ｐｈａｓｅ ｔｒｅａｔｅｄ ＡＩＳＩ４０１２ ｓｈｅｅｔ ｓｔｅｅｌｓ［Ｊ］． Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ， ２０１０， １０１（５）６８４－６９１． ［１４］ Ｄａｖｉｅｓ Ｒ Ｇ． Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｄｕａｌ ｐｈａｓｅ ｓｔｅｅｌｓ［Ｊ］． Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ Ａ， １９７８，９（５）６７１－６７９． 引用本文 钟艳梅，汪冰峰，丁 旭，等． 动态加载时 β 钛合金马氏体相 变研究［Ｊ］． 矿冶工程， ２０２１，４１（１）１１９－１２３． ３２１第 １ 期钟艳梅等 动态加载时 β 钛合金马氏体相变研究 万方数据