不同应变速率下CT20钛合金孪生变形行为

刘 伟，杜 宇，孙花梅，毛小南，杨海瑛

(西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)

不同应变速率下CT20钛合金孪生变形行为

刘 伟，杜 宇，孙花梅，毛小南，杨海瑛

(西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)

在300 K及20 K、不同应变速率下对CT20钛合金板材进行单向拉伸，利用扫描电镜、透射电镜等观察拉伸应变组织及断口形貌，揭示了应变速率对CT20钛合金孪生变形行为的影响规律。结果表明：在300 K下，应变速率的提高使CT20钛合金板材的强度提高，延伸率降低；20 K下，应变速率的提高使CT20钛合金板材的强度和延伸率均下降。在300 K、应变速率高于6.67×10-1s-1和20 K、应变速率低于6.67×10-3s-1的条件下，CT20钛合金板材的变形均为滑移和孪生共同作用。20 K下，CT20钛合金拉伸应变速率超过6.67×10-3s-1时，孪生变形受到抑制，材料的延伸率迅速降低。

CT20钛合金；低温；孪生；应变速率；拉伸性能

0 引 言

钛及钛合金因具有密度小、比强度高等优异的综合性能，被广泛应用于航空航天等领域[1]。CT20钛合金(Ti-Al-Zr-Mo系)是西北有色金属研究院研制开发的一种近α型低温钛合金，室温拉伸强度≥600 MPa，延伸率≥16%。在20 K低温下，其强度较室温提高一倍，延伸率仍能保持在10%以上。由于冷变形性能良好，可将该合金冷加工成管材。目前采用该合金制备的管材已应用于某航天发动机液氢管路系统中[2-4]。

高的应变速率和低的变形温度都会使金属材料有发生脆化的倾向。已有的研究表明，应变速率对纯钛在室温及高温下的力学性能有较大的影响，而针对应变速率对低温钛合金力学性能及孪生变形行为影响的研究较少。

因此，研究CT20钛合金不同应变速率下的拉伸变形行为，掌握孪晶在材料变形过程中所起的作用，对于充分挖掘该合金在低温下的性能潜力，明确该合金在液氢发动机这样的低温环境中能否安全使用，促进该合金在低温工程中的推广和应用有着重要意义。为此，开展300 K和20 K下，不同应变速率(10-5～10-1s-1)对CT20钛合金的拉伸性能和变形孪晶的影响研究。

1 实 验

1.1 实验材料

采用零级海绵钛、Al-60Mo中间合金、Al豆和原子能级海绵锆为原料，通过真空自耗电弧炉进行两次熔炼，得到CT20钛合金铸锭。铸锭开坯锻造后再热轧成13 mm厚的CT20钛合金板材。对板材进行800 ℃×1 h/AC的再结晶退火。

1.2 实验方法

沿板材纵向切取拉伸试样。300 K和20 K拉伸试验分别在MTS 810万能拉伸试验机和MTS-SANS CMT5000系列微机控制电子万能试验机上进行。300 K拉伸时应变速率分别为6.67×10-5、6.67×10-4、6.67×10-3、 6.67×10-2、6.67×10-1s-1。20 K拉伸时应变速率分别为6.67×10-4、6.67×10-3、6.67×10-2、6.67×10-1s-1。沿拉伸试样的变形方向切取金相试样，观察显微组织；在拉伸试样断口附近沿纵向切取0.5 mm的薄片，经机械减薄至0.05 mm后在MTP-1型双喷电解减薄机上减薄，制备透射试样。在JSM5800扫描电镜和S-2700HITACHI扫描电镜上观察试样的断口形貌和拉伸试样的微观变形组织，电镜工作电压为20 kV。在JEM-200CX透射电镜上观察合金的高倍组织和孪晶形貌，电镜工作电压为160 kV。

2 结 果

2.1 不同应变速率下的室低温变形组织及拉伸性能

300 K、不同应变速率下CT20钛合金板材的拉伸性能见图1。从图中可以看出，随着应变速率的提高，材料的抗拉强度、屈服强度均呈现缓慢增高的趋势，而延伸率却呈现下降的趋势。应变速率从6.67×10-5s-1提高到6.67×10-1s-1，抗拉强度和屈服强度分别增加了10%和9.7%，而延伸率下降了43%，但仍保持在13%以上，没有发生脆化的现象。另外，屈服强度和抗拉强度的曲线随着应变速率的增加逐渐靠近，说明应变速率的提高使材料的屈强比逐渐增大，应变速率从6.67×10-5s-1提高到6.67×10-1s-1，屈强比从0.75增大到了0.83。

图1 300 K、不同应变速率下CT20钛合金板材的拉伸性能Fig.1 Tensile properties of CT20 titanium alloy plate in different strain rates at 300 K

20 K、不同应变速率下CT20钛合金的拉伸性能见图2。从图中可以看出，应变速率对20 K和300 K下CT20钛合金拉伸性能的影响存在较大差异。在20 K下，延伸率、屈服强度和抗拉强度都随着应变速率的增加而呈现下降的趋势，而且延伸率的变化以6.67×10-3s-1的应变速率为界限分成了两个阶段。在应变速率低于6.67×10-3s-1时，随着应变速率增加，延伸率下降趋势较缓，在同一应变速率下，不同变形温度下延伸率的变化幅度不超过15%；当应变速率增加到6.67×10-2s-1时，延伸率从6.67×10-3s-1时的13.5%迅速下降到3.3%，材料发生脆性断裂。20 K、不同应变速率下CT20钛合金的屈强比变化不大，都保持在0.9以上。

图2 20 K、不同应变速率下CT20钛合金板材的拉伸性能Fig.2 Tensile properties of CT20 titanium alloy plate in different strain rates at 20 K

图3为CT20钛合金板材退火态及在300 K和20 K下不同应变速率拉伸后的金相组织。从图中可以看出，在300 K、应变速率较低的情况下，显微组织有一定程度的变形(图3b)，部分等轴组织(图3a)被拉长；随着应变速率的提高，等轴组织被拉长变形的趋势越来越小(图3c)；20 K、应变速率为6.67×10-1s-1下，拉伸试样应变区显微组织的变形程度较小(图3d)，形态与退火态组织相比变化不大。

2.2 不同应变速率下的室低温拉伸断口

CT20钛合金板材在300 K和20 K、不同应变速率下的典型拉伸断口见图4。在300 K、不同应变速率条件下CT20钛合金板材的拉伸断口均呈现出典型的韧性断裂特征，从宏观断口可以看到断裂试样的颈缩现象很明显，从微观断口可以发现，随着应变速率的提高，韧窝的数量增多，且变浅变小。20 K不同应变速率条件下的拉伸宏观断口观察不到明显的颈缩现象，低应变速率下的微观断口观察发现既有表现韧性断裂特征的韧窝出现，同时还存在大量舌状花样和解理台阶，表明材料内部发生了孪生变形，同时还有一定的解理断裂特征；随着应变速率提高，拉伸断口的脆性断裂特征越来越明显，在6.67×10-1s-1的应变速率下，断口表现出典型的解理断裂特征。

图3 CT20钛合金的退火态组织及不同应变速率下的拉伸变形组织Fig.3 Annealed microstructure and tensile microstructures of CT20 titanium alloy in different strain rates

图4 300 K和20 K、不同应变速率下CT20钛合金板材的拉伸断口照片Fig.4 Fracture morphologies of CT20 titanium alloy plate in different strain rates at 300 K and 20 K

2.3 不同应变速率下的室低温TEM组织

CT20钛合金板材在300 K和20 K、不同应变速率拉伸后试样的透射电镜照片见图5。从图中可以看出，在300 K下，以6.67×10-4s-1的应变速率拉伸时，变形组织中有很高的位错密度，位错缠结聚集形成位错团；随着应变速率提高，位错密度有所降低，但仍保持较高的水平，同时在个别晶粒内出现了孪晶组织，孪晶内部的位错密度较高。拉伸温度降低到20 K，在6.67×10-4s-1的低应变速率下，晶粒内出现较多的孪晶，位错密度比相同应变速率下300 K拉伸的应变组织低的多，当应变速率提高到6.67×10-1s-1时，组织内没有观察到孪晶，而且位错密度也降到了很低的水平，只有少量的位错线向三叉晶界处聚集。

图5 300 K和20 K、不同应变速率下CT20钛合金板材的透射电镜照片Fig.5 TEM morphologies of CT20 titanium alloy plate in differentstrain rates at 300 K and 20 K

3 讨 论

从图1可以看出，随着应变速率的提高，CT20钛合金在300 K下的抗拉强度和屈服强度均提高，而延伸率却随之降低。一般来说，金属材料都具有明显的应变硬化率效应[5]，即位错运动的速率随着应变速率的增加而增加，位错的产生变得困难，位错滑移的阻力提高，使材料产生附加强化，宏观表现为材料强度提高，塑性降低。另一方面，由于本实验选择的应变速率均在中低范围内，所以应变速率对CT20钛合金板材在300 K拉伸强度和塑性的影响程度有限。对比图5a、b可以看出，应变速率提高对位错的产生具有强烈的阻碍作用。图5a中没有发现孪晶，而图5b中观察到了孪晶，这是因为应变速率的提高使材料变形时局部应力集中现象更明显，为孪生变形的发生提供了有利条件。从图4b、d可以看出，应变速率提高使得拉伸断口的韧窝数量增多、尺寸变小，印证了材料强度的提高和延伸率的降低，同时由于孪晶的产生对材料塑性和强度均有改善作用，因此在300 K、应变速率为6.67×10-1s-1的条件下，CT20钛合金板材仍表现出了较好的塑性。

从图2可以看出，温度降低到20 K时，延伸率、屈服强度和抗拉强度都随着应变速率的增加而下降。这是由于低温使滑移的萌生应力显著提高，位错滑移变得困难[6]，提高应变速率进一步增大了位错滑移的阻力，在低温和较高应变速率的双重影响下，材料表现出明显的脆化趋势，因而强度和延伸率同时下降。从图4f、h也可看出，随着应变速率的提高材料表现出明显的脆性断裂特征。应变速率低于6.67×10-3s-1时，20 K应变组织中有较多的孪晶，这对改善材料的塑性有很大的帮助，因此材料的延伸率仍能保持在10%左右；但是，当应变速率超过6.67×10-3s-1，延伸率迅速下降到3%，应变组织中既没有观察到孪晶，位错密度也迅速下降，这是由于应变速率提高使位错运动的速率增大，位错难以产生，滑移变形受到抑制，孪生变形也来不及发生，合金的屈强比增大到0.9以上，材料一屈服就迅速发生脆性断裂。

综合图4和图5可以发现，在300 K下，当应变速率较低时，材料变形主要以位错滑移为主，当应变速率达到6.67×10-1s-1时，应变组织中观察到了孪晶，材料变形机制为滑移和孪生共同作用，孪生参与变形使材料的塑性得以提高，变形更加均匀，因此即使在应变速率较高的情况下，断口仍然表现出韧性断裂的特征；在20 K、应变速率较低的情况下，低温条件对孪生的产生提供了促进作用，但是当应变速率超过6.67×10-3s-1时，由于低温和较高应变速率的共同作用，孪生受到了抑制，材料不能发生均匀的塑性变形，出现脆性断裂。

4 结 论

(1)在300 K下，应变速率提高使CT20钛合金的强度提高，延伸率降低；20 K下，应变速率提高使CT20钛合金板材的强度和延伸率均下降。

(2)300 K、应变速率高于6.67×10-1s-1和20 K、应变速率低于6.67×10-3s-1的条件下CT20合金的变形均为滑移和孪生共同作用，材料保持较好的塑性。

(3)20 K温度下，CT20钛合金板材拉伸时应变速率超过6.67×10-3s-1时，由于低温和较高应变速率的双重作用，孪生变形受到了抑制，材料的延伸率迅速降低，表现出典型的脆性断裂特征。

[1] 杨冠军,赵永庆,于振涛，等. 钛合金研究、加工与应用的新进展[J]. 材料导报. 2001, 15(10):19-21.

[2] 刘伟,杜宇,卢亚锋,等.CT20钛合金管材的冷弯成形[J].中国有色金属学报.2010,20(增刊1):743-747.

[3] 赵彬,杨英丽,赵恒章,等.低温用CT20钛合金的电子束焊接工艺[J].中国有色金属学报，2010,20(增刊1):838-842.

[4] 刘伟,杜宇. 低温钛合金的研究现状[J]. 稀有金属快报.2007,26(9):6-10.

[5] Yoo M H, Lee J K. Deformation twinning in hcp metals and alloys[J]. Philosophical Magazine A, 1991, 63(5): 987-1000.

[6] Salem A A, Kalidindi S R, Doherty R D. Strain hardening of titanium: role of deformation twinning[J]. Acta Materialia, 2003, 51(14): 4225-4237.

Twinning Deformation Behavior of CT20 Titanium Alloy under Different Strain Rates

Liu Wei, Du Yu, Sun Huamei, Mao Xiaonan, Yang Haiying

The tensile deformation behavior of CT20 titanium alloy plate under different strain rates at 300 K and 20 K was investigated. The deformation microstructures and fracture morphologies were observed by scanning electron microscope (SEM) and transmission electron microscope (TEM). The influence of strain rate on twinning deformation behavior was revealed. The results show that, with strain rate accretion, the strength increases but elongation decreases at 300 K, while both the strength and elongation get reduction at 20 K. Both slip and twins dominat in the CT20 titanium alloy plate deformation with a strain rate higher than 6.67×10-1s-1at 300 K and with a strain rate lower than 6.67×10-3s-1at 20 K. When tensile test is conducted with a strain rate above 6.67×10-3s-1at 20 K, the elongation of CT20 titanium alloy decreases directly because the twins are restrained.

CT20 titanium alloy；cryogenic temperature；twin；strain rate；tensile properties

2014-07-23

刘伟(1981—)，男，高级工程师。

(Northwest Institute for Nonferrous Metal Research,Xi’an 710016, China)