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南京工大《JMST》：含鐵TC4鈦合金的組織強韌化機理！

2021-12-01 13:27:38 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

Ti-6Al-4V（TC4）是鈦合金中應用最廣泛的一種，已應用于外科、航空航天、汽車、海洋等行業中，占鈦合金總消耗量的75.85%。Ti-6Al-4V的廣泛應用歸功于其簡單的化學成分和良好的成形性，以及較好的強度和延展性。人們已經做了大量的嘗試，希望經濟有效地提高Ti-6Al-4V的力學性能，同時保持高比強度。微合金化是一種簡單可行的方法。B的加入能夠促進形核，細化晶粒，提高強度、塑性和疲勞性能，但導致Ti-6Al-4V合金的斷裂韌性較差。已有報道表明，Ti-6Al-4V中添加微量Fe可以改善澆鑄性，降低變形時的流動應力，同時提高強度和斷裂韌性，但是Fe對TC4組織性能的影響機制仍不明確。

南京工業大學的研究人員探討了Fe對Ti-6Al-4V（TC4-xF）合金鑄態經均勻化處理后的組織和力學性能的影響，揭示均勻化、熱加工和時效處理合金中有利于屈服強度和斷裂韌性的關鍵組織特征。相關論文以題為“Microstructural strengthening and toughening mechanisms in Fe-containing Ti-6Al-4V: A comparison between homogenization and aging treated states”發表在Journal of Materials Science & Technology。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.04.063

本研究通過感應熔煉制備不同Fe含量的Ti-6Al-4V（TC4-xF，x為Fe含量），Fe含量為0.1、0.3、0.5、0.7、0.9 wt.%，凝固后進行800℃×3h均勻化處理（風冷）。研究發現添加鐵后，原始β晶粒和團簇得到細化。TC4-0.9F合金的β晶粒尺寸和團簇尺寸最小。合金的質量守恒和元素在α和β相之間的重新分配導致α相分數降低，β相分數增加。隨著鐵含量的增加，α/β片層的寬度變粗。Fe的加入對TC4至TC4-0.5F合金的屈服強度和極限抗拉強度有明顯的增強作用。TC4-0.7F和TC4-0.9F合金的強度保持較高，但有波動。固溶強化對屈服強度的貢獻最大，其次是團簇細化。TC4-0.7F和TC4-0.9F的波動屈服強度受團簇大小和團簇分數之間的權衡影響。延伸率和斷裂韌性隨Fe含量的增加呈近似拋物線變化。TC4-0.5F的斷裂韌性最大，這是由于裂紋擴展距離最長的α/β片層具有最高的裂紋擴展抗力。

圖1 TC4和TC4- xF合金在均勻化處理狀態下的力學性能

圖2 TC4和TC4- xF合金均勻化后的光學組織

圖3 TC4和TC4- xF合金的SEM圖

（a）TC4, （b） TC4-0.1F, （c） TC4-0.3F, （d） TC4-0.5F, （e） TC4-0.4F, （f） TC4-0.9F

圖4 TC4和TC4- xF合金均質處理后的裂紋擴展和裂紋附近的組織圖

Fe的強化效果在熱加工合金中最明顯，其次是均勻化合金和水淬時效合金。在爐冷的TC4-0.5F中，由于退火時間的延長和冷卻速度的降低導致了軟化，強化效果不明顯。在不同鐵添加量的條件下，裂紋擴展路徑類型與合金的斷裂韌性密切相關，優于其他微觀組織增韌因素。然而，對于化學成分不同、加工工藝不同的合金，高體積分數的寬α片層是提高斷裂韌性的關鍵。

圖5 總結了TC4和TC4- xF合金在不同熱機加工條件下的力學性能

本文制備了含Fe的Ti-6Al-4V合金，并對其進行了均勻化熱處理。采用不同的表征方法，研究了鐵含量對合金組織特征和力學性能的影響。在微觀力學模型的基礎上，通過唯象分析，推出與屈服強度和斷裂韌性相關的主要微觀結構特征。將均勻化處理合金與熱加工和時效處理合金的強化和增韌特性進行了比較。本文為航空航天工業用鈦合金的鐵元素強化/增韌作用提供了理論基礎。

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