彈簧回彈是使用鈦合金制造薄壁構(gòu)件過程中的長期問題，盡管這些構(gòu)件大多在高溫下形成。通過激活輕合金（如鈦合金和鋁合金）中的應力松弛，可以緩解這種彈簧回彈。應力松弛是指在高溫下，內(nèi)部應力隨時間逐漸衰減，而總應變保持不變的現(xiàn)象。由于其重要的工程應用，已經(jīng)投入了相當多的研究工作來探索應力松弛機制，這些機制可以根據(jù)應力指數(shù)值（n）通常分為三類：擴散蠕變、同時擴散和位錯爬升以及單一位錯爬升。然而，根據(jù)上述機制，增加溫度或松弛時間成為減少彈簧回彈的常用方法，但這通常需要耗費能量和時間。鈦合金的應力松弛溫度范圍為500到800℃，松弛時間通常超過60分鐘。此外，增加溫度或松弛時間會導致鈦合金在該溫度范圍內(nèi)明顯失去強度（約為7.7%），這是由于擴散增強。因此，需要新的機制來加速鈦合金的應力松弛，而不損失其強度。

時效處理是鈦合金的一種標準熱處理方法，其溫度接近于應力松弛的溫度。如果能夠?qū)λ沙诤蜁r效結(jié)合起來，可能解決鈦合金應力松弛過程中的強度損失問題。最近，已經(jīng)在其他合金中開發(fā)了同時進行應力松弛和時效處理的方法，例如鋁合金，在這種方法中，通過預變形產(chǎn)生的位錯為T1前驅(qū)體析出物提供成核位點，從而降低應力松弛極限并提高機械性能。鋁合金的應力松弛和時效強化主要由位錯和沉淀物之間的相互作用決定。

受到鋁合金的啟發(fā)，近α或α+β鈦合金中的亞穩(wěn)態(tài)βt（轉(zhuǎn)變β）可以在應力松弛與同步時效過程中分解為β相和αs（次生α），從而有效地增強鈦合金。βt的顯微組織包括殘留的β相和一些層片狀α，在鈦合金的兩相區(qū)溶液熱處理后通過水淬獲得。然而，尚未報道相變與應力松弛之間的相互作用對應力松弛極限和機械性能的影響。哈爾濱工業(yè)大學劉鋼教授團隊提出了一種應力松弛與同步時效相結(jié)合的方法，以同時加速應力松弛并提高鈦合金的機械強度。有趣的是，在本文中觀察到了應力松弛與同步時效過程中鈦合金的孿晶形成。大多數(shù)研究都關注孿晶對機械性能的影響，很少將其報告為應力松弛機制之一。與這些研究不同的是，在本研究中發(fā)現(xiàn)，應力誘導的孿晶在加速應力松弛的同時保持高強度起到重要作用。此外，αs相的形成也有助于同時加速應力松弛和提高強度，通過研究微觀結(jié)構(gòu)演變和應力松弛之間的相互作用進行驗證。

采用由寶鈦股份有限公司提供的TA15鈦合金（Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1 V）板材，平均厚度為1.80mm。初始板材的顯微組織由精細的等軸α相和少量β相組成。應力松弛測試樣品沿軋制方向加工。工藝路線示意圖如圖1所示。

相關研究成果以題“Accelerated stress relaxation with simultaneously enhanced strength of titanium alloy by phase transformation and stress-induced twinning”發(fā)表在《Scripta Materialia》上。

圖1.

應力松弛測試的處理路線示意圖。（a）ST-AGE和AGE-SR路線；（b）ST-SR路線。

圖2.

歸一化應力松弛曲線和拉伸應力-應變曲線。(a) 600℃下的應力松弛曲線；(b) 室溫和500℃下初態(tài)、ST-AGE和ST-SR樣品的工程應力-應變曲線；(c) 初態(tài)、ST-AGE和ST-SR樣品室溫下的拉伸強度隨時間的演變；(d) 不同鈦合金的拉伸強度-延伸性能對比。

圖3.

應力松弛前后的顯微結(jié)構(gòu)的透射電子顯微鏡（TEM）表征。（a）∼（c）ST樣品在經(jīng)歷0、150和7200秒老化后的顯微結(jié)構(gòu)；（d）應力松弛150秒后的ST樣品的顯微結(jié)構(gòu)；（e）（d）中雙晶的高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像；（f）αp中的位錯陣列；（g）αs的斷裂，（h）應力松弛7200秒后ST樣品中的雙晶和（i）αp中的位錯；（j）∼（l）經(jīng)過應力松弛7200秒的老化樣品的顯微結(jié)構(gòu)。

圖4.

AGE-SR和ST-SR樣品的活化能隨弛豫時間演變的情況（a），以及應力指數(shù)值（b）。

圖5.

鈦合金在同步時效過程中的應力松弛機制。（a）應力松弛過程中機制的演變；（b∼d）βt→β + αs相變過程中晶格的演變。

片狀αs的析出是提高鈦合金機械性能的主要途徑之一，如圖2(b)、圖3(d)和(g)所示。此外，在應力松弛過程中產(chǎn)生了大量的位錯糾纏，起到位錯強化的作用，如圖3(i)所示。此外，孿晶也出現(xiàn)在αs相中，如圖3(e)和(h)所示。這種孿晶的形成也可以增加鈦合金的工作硬化，提高其強度。因此，強化機制包括析出強化、位錯強化和孿晶強化。由于應力加速相變，ST-SR樣品在1800秒時的強度比靜態(tài)時效樣品高，而在應力松弛的后期αs的生長和斷裂導致靜態(tài)時效樣品在5400秒后略微更高。因此，通過考慮應力松弛極限和強度，應力松弛和時效時間可以從7200秒減少到約1800秒。