【引言】

    當(dāng)在研發(fā)新型材料或先進(jìn)加工技術(shù)時(shí)，研究者致力于探究材料的成分、工藝、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與性能之間的相互關(guān)系，以達(dá)到調(diào)控材料性能的目的。其中公式法僅適用于單元素或單相系統(tǒng)，在面對(duì)具有復(fù)雜和多重變量的工程應(yīng)用合金時(shí)，則具有很大的局限性，然而建立模型可以解決這一問題。增材制造是材料加工的新型技術(shù)，目前對(duì)于定向能量沉積制備的鈦合金，尚未建立模型以預(yù)測(cè)其屈服強(qiáng)度。

    【成果簡(jiǎn)介】

    近日，美國(guó)愛荷華州立大學(xué)、先進(jìn)有色結(jié)構(gòu)合金研究中心的Peter C Collins教授（通訊作者）等人通過演算并呈現(xiàn)出一個(gè)本構(gòu)方程，其可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出經(jīng)三種熱處理工藝增材制造得到Ti-6Al-4V鈦合金的屈服強(qiáng)度，這一研究成果以“Predicting tensile properties of Ti-6Al-4V produced via directed energy deposition”為題發(fā)表在Acta Mater.上。

    【圖文導(dǎo)讀】

    圖1 Ti-6Al-4V鈦合金沿厚度方向橫截面組織的變化測(cè)試。

    Ti-6Al-4V鈦合金沿厚度方向橫截面組織的變化，選取區(qū)域A和B進(jìn)行測(cè)試；其中區(qū)域A對(duì)應(yīng)的晶粒受到較大程度地延長(zhǎng)并平行于Z方向，區(qū)域B由Y方向上的晶粒組成。

    圖2 三種熱處理工藝后電子束增材制造Ti6-6Al-4V鈦合金的微觀組織

    （a）AM-α+β應(yīng)力釋放；

    （b）AM-α+β熱等靜壓；

    （c）AM-β退火。

    圖3 織構(gòu)對(duì)于力學(xué)性能的影響

    （a）經(jīng)β退火增材制造得到的鈦合金，在3個(gè)主方向和對(duì)應(yīng)3個(gè)旋轉(zhuǎn)45°方向上強(qiáng)織構(gòu)的屈服應(yīng)力；

    （b）α相和β相的織構(gòu)；

    （c）{001}方向上β相和伯格斯取向關(guān)系中產(chǎn)生α變量對(duì)應(yīng)的滑移系。

    圖4 掃描電鏡背散射電子下的微觀組織

    （a，b）對(duì)應(yīng)區(qū)域A；

    （c，d）對(duì)應(yīng)區(qū)域B。

    圖5 AM-α+β熱等靜壓試樣的TEM研究結(jié)果

    （a）HAADF STEM圖像在板條狀α相周圍出現(xiàn)少量的位錯(cuò)；

    （b）選區(qū)放大圖；

    （c）圖（b）中的微區(qū)晶粒取向；

    （d）由圖（c）得到的位錯(cuò)密度分布圖。

    圖6 AM-α+β應(yīng)力釋放試樣的TEM研究結(jié)果

    （a）HAADF STEM圖像在板條狀α相周圍出現(xiàn)大量的位錯(cuò)；

    （b）選區(qū)放大圖；

    （c）圖（b）中的微區(qū)晶粒取向；

    （d）由圖（c）得到的位錯(cuò)密度分布圖。

    圖7 三種熱處理工藝試樣背散射圖譜的灰度強(qiáng)度分布

    實(shí)線代表AM-α+β去應(yīng)力退火狀態(tài)；

    虛線代表AM-α+β熱等靜壓處理狀態(tài)。

    圖8 預(yù)測(cè)屈服強(qiáng)度值和實(shí)驗(yàn)測(cè)定屈服強(qiáng)度值的對(duì)比

    由圖可以看出，絕大部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（84%）處于與預(yù)測(cè)屈服強(qiáng)度5%的誤差范圍內(nèi)，這說明預(yù)測(cè)值的準(zhǔn)確度較高。

    圖9 不同條件下的累積概率分布函數(shù)

    （a）AM-α+β去應(yīng)力退火；

    （b）AM-α+β熱等靜壓；

    （c）AM-β退火；

    （d）綜合數(shù)據(jù)和模型。

    圖10 各參數(shù)對(duì)三種熱處理試樣的屈服強(qiáng)度的絕對(duì)貢獻(xiàn)

    圖11 各參數(shù)對(duì)三種熱處理試樣的屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)比例

    由圖10和11可以看出，固溶強(qiáng)化對(duì)屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)是最大的，然而泰勒強(qiáng)化作用是主要的微觀結(jié)構(gòu)強(qiáng)化參數(shù)，其僅存在于AM-α+β去應(yīng)力狀態(tài)下。

    【小結(jié)】

    本文報(bào)道了通過電子束增材制造得到Ti-6Al-4V鈦合金，著重討論了其單向拉伸的屈服強(qiáng)度。此項(xiàng)研究中演算并呈現(xiàn)出一個(gè)本構(gòu)方程，可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)增材制造的鈦合金及經(jīng)三種熱處理（AM-α+βSR、AM-α+βHIP和AM-β退火）后的屈服強(qiáng)度，其中屈服強(qiáng)度的預(yù)測(cè)誤差通常在其實(shí)驗(yàn)測(cè)試值的5%以內(nèi)。

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責(zé)任編輯：王元

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