導讀：提出了一種利用同步時效進行應力松弛的方法來同時降低應力松弛極限并增強鈦合金的機械強度。在600℃下對經過固溶處理和時效處理的樣品進行了應力松弛測試，以研究微觀結構演變與應力松弛之間的相互作用。采用Kohlrausch-Williams-Watts方程來分析松弛動力學。結果表明，施加的應力促進了αs（次生α）相的快速析出和生長。與此同時，施加的應力還誘導了αs相中孿晶的存在，導致了αs中彈性能量的松弛。反過來，相變和應力誘導的孿晶都使應力松弛極限降低了56%。此外，Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1 V合金在室溫和使用溫度下的抗拉強度分別提高了3.4%和9.2%。

彈簧回彈是使用鈦合金制造薄壁構件過程中的長期問題，盡管這些構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，內部應力隨時間逐漸衰減，而總應變保持不變的現象。由于其重要的工程應用，已經投入了相當多的研究工作來探索應力松弛機制，這些機制可以根據應力指數值（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。如果能夠將應力松弛和時效結合起來，可能解決鈦合金應力松弛過程中的強度損失問題。最近，已經在其他合金中開發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，通過預變形產生的位錯為T1前驅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，近α或α+β鈦合金中的亞穩態βt（轉變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。

哈爾濱工業大學團隊提出了一種應力松弛與同步時效相結合的方法，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，在本研究中發現，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，通過研究微觀結構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。溶液處理溫度為950℃，時間為1800秒，隨后進行水淬，樣品標記為ST。溶液處理后進行靜態時效處理，溫度為600℃，時間為7200秒，然后進行空冷，樣品標記為ST-AGE。應力松弛試驗在600℃下進行，時間為7200秒（圖1(a)和(b)）。應力松弛測試后的溶液處理樣品標記為ST-SR，應力松弛測試后的時效樣品標記為AGE-SR。應力松弛和拉伸測試使用帶有加熱爐的Shimadzu AGXplus電子萬能試驗機進行，溫度誤差為±3℃。應力松弛和拉伸測試的加載應變速率為0.001 s^(-1)。所有測試均至少重復三次以確保可重復性。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、ST-AGE和ST-SR樣品的工程應力-應變曲線；(c) 初態、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構的透射電子顯微鏡（TEM）表征。（a）∼（c）ST樣品在經歷0、150和7200秒老化后的顯微結構；（d）應力松弛150秒后的ST樣品的顯微結構；（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）經過應力松弛7200秒的老化樣品的顯微結構。

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。

在同步時效過程中，應力松弛過程中的另一個加速機制是應力誘導析晶。這些孿晶釋放了αs中被抑制的彈性能量，從而使施加在孿晶尖端上的應力集中。這種內部應力引起孿晶中的局部塑性變形，從而降低應力。在緩慢松弛階段，從圖2(a)可以看出兩條應力松弛曲線是平行的，這意味著機制是相同的。根據圖4(b)中的應力指數和圖3(i)和(l)中的顯微結構表征，主要機制是αp中的位錯運動伴隨著αs的斷裂。

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。

總之，應力松弛與同步時效顯著降低了TA15鈦合金的應力松弛極限。同時，ST-SR樣品在室溫和使用溫度下的抗拉強度分別提高了3.4%和9.2%。相變和應力誘導的孿晶是早期加速應力松弛的主要機制。在緩慢松弛階段，主要機制是αp中的位錯運動伴隨著αs的斷裂。主要的強化機制包括析出強化、位錯強化和孿晶強化。