基于中子/同步辐射X射线的近β高强钛合金形变与相变行为研究

Near 高强钛合金因其比强度高、断裂韧性好、耐腐蚀性好而广泛应用于航空工业中的起落架等大型承重结构件中。显微组织是影响材料力学性能的重要因素之一。深入了解钛合金的变形和相变行为是改善其力学性能的重要基础。材料的变形和相变行为由晶体结构和多尺度微观结构单元决定，钛合金的热变形过程往往涉及动态软化机制和变形与相变的相互作用，这使得钛合金的显微组织演化过程更加复杂。中子和同步辐射X射线衍射技术可以表征合金在加工和使用过程中的多尺度应力和结构演变，揭示合金的变形和相变机理。TC18和Ti－55531合金是高强钛合金附近的典型合金，被广泛使用。其形变及其相变机理的研究对类似合金的显微组织控制具有指导意义。本文利用中子和同步辐射X射线衍射技术对高强钛合金附近典型岩石在室温和高温变形过程中的微观力学和相变行为进行了原位研究。结合显微组织特征描述技术，揭示了宏／微观应力在高强钛合金附近变形过程中对显微组织演化的影响机制。近高强钛合金的力学性能与组成相的大小和织构密切相关，但显微组织在微观力学水平上影响力学性能的机制尚不清楚。本文研究了典型显微组织（双晶结构和层状结构）中中性相的微观力学行为、两种相对力学性能的贡献以及高强钛合金Ti－55531附近的微应力演化利用同步辐射X射线衍射技术对室温拉伸过程中的结构进行了现场研究。结果表明，相所承受的应力比双态结构高约200MPa，而在层状结构中，相基体所承受的应力比光致层高约150MPa。通过对衍射峰不对称性的分析，发现双峰结构中的次应力比初生相承受的次应力高约330MPa。纹理对微观应力的演变也有重要影响。该相的织构增加了不同取向晶粒间的晶间应力。钛合金的显微组织峰对热变形参数非常敏感，但其深层物理机制尚不清楚。本文以中子衍射技术为例，研究了在高强钛合金Ti－55531附近不同热变形参数下，位错密度在高温拉伸过程中的演化，并结合显微组织表征技术分析了动态软化机制与位错密度演化的内在关系。结果表明，在近相区（810,0.1/s）变形和双相低应变速率（760,0.001/s）变形过程中，动态回复是最重要的软化机制。相位错密度在加工硬化阶段显著增加，直到达到加工硬化和动态恢复之间的平衡，位错密度达到稳定状态。在两相区，连续变形倾向于以较快的应变率（760,0.1/s）发生。应变速率的增加导致位错密度明显增加，并促进相的连续变形。鉴于高强钛合金附近在两相区快速应变率下的连续变形行为，本文采用原位高温压缩技术，进一步研究了高强钛合金附近（TC 18）在两相区（785）和0.1/s变形过程中的细观力学行为，并讨论了应力分布和显微组织演化机制。结果表明，在热变形过程中，相承受的应力高于相承受的应力，导致在光层附近形成不均匀的应变场，从而促进了相的连续性，软取向的<<200>//LD取向的晶粒在热变形过程中更容易发生连续变形。热变形过程中的连续变形行为对细化相晶粒具有重要意义。采用两相区、0.1/s变形和两相区退火可有效细化相晶粒，获得平均晶粒尺寸为12m的等轴相晶粒。相变体选择行为是影响钛合金相变后显微组织和织构的重要原因。采用原位高温压缩同步辐射X射线衍射技术，对比研究了固溶体在热处理和热变形过程中的相析出行为。结合显微组织的特征，分析了热变形对相沉淀动力学的影响和变体选择机制。结果表明，600变形过程中的相析出动力学比热处理高5倍左右。不同相取向晶粒中的相析出动力学具有明显的各向异性。相沉淀首先发生在晶粒中，取向为200/LD。在中温区（650600）的热变形过程中，沉淀层具有明显的变体选择。相变应变与外部应力场的协调、位错诱导的优先生长和局部变应变的自协调是相变应变选择的结果。在热变形过程中，不同的相选择行为导致了强烈的相变织构。