实验和模拟方法研究Ti-10V-2Fe-3V合金在β单相区加工过程中的动态再结晶

实验和模拟方法研究Ti-10V-2Fe-3V合金在β单相区加工过程中的动态再结晶

钛合金具有低密度、高比强度、优良的抗腐蚀性和高温力学性能，作为结构材料广泛应用于航空、航天等领域。通常采用热机械方式对钛合金进行加工，通过调控合金的显微组织来获得应用所需的综合力学性能，进而延长材料的服役寿命。一般来讲，根据加工温度范围的不同，钛合金的热加工方式分为两种：α+β两相区加工和β单相区加工。在α+β两相区加工的钛合金具有等轴组织，即等轴的α相分布在β基体上，该组织特征的合金具有较高的塑性和热稳定性，但高温力学性能和断裂韧性较差；而在β单相区加工的钛合金具有片层组织，片层状的α相分布于β基体上，该组织特征的合金具有良好的高温蠕变性能、冲击韧性和断裂韧性，但塑性较差，严重制约了其广泛应用。然而，通过细化晶粒的方式，可以有效提高在β单相区加工的钛合金的强度和塑性。

动态再结晶是钛合金热加工过程中细化晶粒的一种有效方式，合金在β单相区进行热加工后，可以使得初生β晶粒得到显著的细化，这对提高具有片层组织β钛合金的塑性起到决定性的作用。香港理工大学科研人员旨在通过实验和模拟的方法来研究Ti-10V-2Fe-3V合金在热加工过程中的动态再结晶行为，系统研究应变、应变速率和变形温度与动态再结晶发生程度的关系。模拟过程分两步进行：第一步通过DEFORM-3D三维有限元分析软件构建钛合金的动态再结晶本构方程；第二步采用元胞自动机法，模拟Ti-10V-2Fe-3V合金在β单相区热加工过程中动态再结晶组织的演变过程。

通过热模拟压缩试验，研究了Ti-10V-2Fe-3V合金在变形温度为1 098～1 423 K，变形速率为0.001～1 s-1下热变形条件对动态再结晶的影响。研究结果表明：合金在β单相区高温、低应变速率变形时，变形机制为晶界弓出形核的动态再结晶。当应变为1.6时，出现了不完全的动态再结晶，局部晶粒出现细化。完全动态再结晶在大部分变形条件下所需的稳态应变较大。完全动态再结晶可以在变形温度为1 223 K以下、应变速率为0.01 s-1以上，应变大于4.9的剧烈变形时产生。动态再结晶晶粒在1 423 K时迅速长大。在变形温度为1 423 K以上、应变速率为0.001 s-1以下时，可以观察到动态再结晶后的粗大晶粒。

程军译自《Materials Science and Engineering A》