D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1993.01.015 第15卷第1期 北京科技大学学报 Vol.15 No.I 1993年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jn1993 Ti-5A1-2Mo一3Zr合金的低温形变+ 曹国英·曹厚义·刘长胜· 邓永瑞· 摘要：对Ti-523合金由室温到-75℃之间的拉伸性能和形变行为作了系统研究，发现淬火态 在-T5℃拉伸仍保持高塑性，而经回火的试样则刚塑性较低。两者的强度在低湿下均升高，可比室 温强度高10%。形变机理则由室温的滑移为主变为低祖下的以李生为主，交替温度可能在 -15℃~一30℃之间。低温形变出现一种双重“三李晶”的取向关系，可能表示形变中各品块间有 很大的相对转动。 关键词：牡合金，低温形变，李品 Deformation Mechanisms of Ti-5Al-2Mo-3Zr Alloy at low Temperatures Cao Guoying'Cao Houyi'Liu Changsheng Deng Yongrui" ABSTRACT:This paper is to investigate the mechanical properties and deformation mechanisms at low temperatures of Ti-5AI-2Mo-3Zr alloy.The results showed that quenched samples kept theit high plasticity until -75C.while the tempered samples were with very low elongation.This means that alloying zirconium is beneficial to low tempera- ture plasticity only when it is at solution state,but not at precipitation state.The deformation mechanism changed from slip to twin during testing temperature lowering .TEM observation showed a special morphology of double "triple twins",may indicating that the crystals rotated from each other a rather large angle during low temperature deformation. KEY WORDS:titanium alloy,low temperature deformation,twin Ti-5AI-2M0-3Zr是一个在研究发展中的结构钛合金1-)，有一定的应用前景。本文 的目的是要研究此合金在低温下的拉伸性能和形变方式，因而进行了一系列低温拉伸试 验，并用电镜观察断口附近的组织形貌。 1992-06-17收稿 ·材料科学与工程系(Department of Meterials Science andEngineering) +冶金工业部教育司理论研究基金资助项目 第一作者曹国英男27硕士生现在国家教委工作
第 巧 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 徽 。 曰山口 和 口刃 一 一 一 合金的低温形变 曹国 英 ’ 曹厚义 ’ 刘长胜 ’ 邓 永瑞 ， 摘要 对 一 合金 由室温到 一 ℃ 之 间的拉伸性能和形变 行为作了系统研究 ， 发现淬火态 在一 ℃ 拉伸仍保持高塑性 ， 而经回 火的试样则塑性较低 。 两者的强度在低温下均升高 ， 可 比室 温 强 度高 。 形 变 机理 则 由室温 的 滑移为主 变为低 温下的以 李生为 主 ， 交 替温 度可 能 在 一 巧℃ 一 ℃ 之 间 。 低温形 变出现一种双重“ 三李晶” 的取向关系 ， 可能表示形变 中各 晶块 间有 很大的相对转动 。 关傲词 社合金 ， 低温形变 ， 李晶 一 一 一 一 ’ 夕 ’ 乙 岁 刀 罗 一 一 一 一 ， · ， “ ， ， 幻。 ， ， 一 一 。 一 是一 个在 研究发展 中的结构钦合金 亡‘ 一 ，〕 ，有一 定的应 用前景 。 本文 的 目的是 要 研 究此 合金 在 低 温 下的 拉伸性能 和 形 变方式 ， 因而进 行 了一 系列 低温 拉伸试 验 ， 并用 电镜观察断 口 附近的组织形貌 。 · 一 一 收稿 材料科学 与工程系 十冶金工业部教 育司理论研究墓金资助项 目 第 一 作者 曹 国英 男 硕士生 现在国家教委工 作 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1993．01．015
Vol.15 No.I Ti-5AI-2M0-3Zr合金的低温形变 ·87· 实验方法 合金用高纯原料经两次自耗真空溶化，在1000℃锻造、950℃轧制，其详细的工艺 过程见文歡1-引。拉伸试样按GB-228-87的Φ5mm标距30mm的标准试样，拉伸温度 为：室温(18℃)、0℃、-15℃、-30℃、-45、-60℃和-75℃。另用6mm×6mm断面的 方形试样，在抛光后弯曲，以观察表面的形变特征。拉断的断口处先用扫描电镜观察，然 后取样作透射电镜观察。透射电镜薄膜试样的双喷电解液为：高氯酸：正丁醇：甲醇=1 :6:1,温度低于-35℃，双喷电压7.5V。试样的热处理有两种，一为950℃保温1h后 淬人水中；另一种为淬火后再在500℃4h回火。 2 实验结果 2.1拉伸试验 淬火试样（记作A组）和淬火加回火（记作B组）试样在室温和-75℃的位伸性能如表1 所示。 表1两种热处理后的性能 Table 1 Properties after two heat treatments 实验 A组（谇火） B组（淬火加回火） 性能 条件 No.l No.2 平均 No.3 N6.4 平均 室温 Co2,MPa 989 1020 1005 11i0 1070 1090 .MPa 1060 1120 1090 1160 1140 1150 18℃ d.% 14.4 14.4 14.4 12.0 7.6 98 低温 002,MPa 1100 1110 1105 1250 1280 1255 MPa 1210 1200 1205 1260 1320 1290 -75℃ d.,% 13.2 13.2 13.2 4.0 4.0 4.0 可以看出，T1-S23合金淬火后，若经适当回火，则室温强度明显提高，但塑性有所 下降。按过去对这一合金的研究1-3？如果改变回火工艺，塑性是可能保持的。更为重要 的是：A组试样在-75℃的强度提高约1/10而塑性相应下降1/10，但仍保持相当高的 水平（δs>13%),这在低温塑性较好的钛合金中，也是难得的。B组试样，低温强度升 高1/10的同时，延伸率几乎下降了60%，说明在回火中析出的细小新相，对低温塑性 有很不利的影响。C组试样（淬火）在不同低温下的强度如表2所示。可以看出，强度是 逐渐升高的。 表2不同温度下的屈服强度 2.2形变后的表面观察 Table 2 Yield stresses at different temperatures 图2示出试样抛光后，经轻微弯曲 试验温度℃ 00.2,MPa 形变后的形貌。可以看出，形变相当均 No.5No.6平均 0 10101030 1020 匀，滑移带在各区（不同晶粒或不同 -15 1010 1000 1005 相)成同一位向，不同区则成一定的角 -30 1050 1030 1040 -45 10801100 1090 度分布。另一个很重要的特点是滑移带 -60 1100 11001100 不明锐，说明是系滑移和交叉滑移的结 果，这与钛合金因轴比c/2=1.588,小于1.633，因而滑移系较多有关
， 卜 一 。 一 合金的低温形变 实验方法 合 金 用 高纯原料经两 次 自耗真空熔 化 ， 在 七 锻 造 、 ℃ 轧 制 ， 其详 细 的工艺 过程 见 文献 一 。 拉 伸试样按 一 一 的 小 标距 的 标淮 试 样 ， 拉 伸温 度 为 室 温 ℃ 、 ℃ 、 一 ℃ 、 一 ℃ 、 一 、 一 和一 。 另用 火 断面的 方形试样 ， 在抛光后弯 曲 ， 以观察表面的形变特征 。 拉断的 断 口处 先用扫描 电镜观察 ， 然 后取 样作透射 电镜观察 。 透射 电镜薄 膜试样的 双喷 电解液 为 高氯 酸 正丁醇 甲醇 二 ， 温 度低于 一 ℃ ， 双喷 电压 。 试样的热处 理有两 种 ， 一 为 ℃ 保温 后 淬入 水 中 另一种为淬火后再在 ℃ 回火 。 实验结果 拉伸试验 淬火 试样 记 作 组 和 淬火加回 火 记作 组 试样在 室温和一 ℃ 的位伸性能如 表 所示 。 表 两种热处理后的性能 典 块』 加丝 丝母 迎夕 扭。 少 细旦皿里 实验 性能 组 淬火 组 条件 平均 吞 平均 室温 口。 ， 一鉴嘿黔嚣一器一巢一共黔共誉 誉 一 低温 “ 犷狱一 二 一 二 一 二书 才二只 二万 一 ’ 联二 竺竺泣 叮‘ 一 ℃ “ 勺 ‘ ’ 亡“ 气 二 “ ‘ ， 丫 ‘ ， 刃丫 ‘ 丫 “ ‘ 节 一 ‘ ’ 以 占 ， 可 以看出 ， 一 合金 淬火后 ， 若经适 当回 火 ， 则 室温强度明显提 高 ， 但塑性有所 下降 。 按过 去对这一 合金 的研究 ’一 ，〕 如果改变回 火 工艺 ， 塑性是可能保持的 。 更为重要 的是 组 试样在 一 ℃ 的强 度 提 高约 而塑性 相应 下降 ， 但仍 保持相 当高的 水平 占 ， 这在低温 塑性较 好的钦合 金 中 ， 也 是 难得 的 。 组 试样 ， 低温强 度升 高 的 同时 ， 延 伸率几乎 下降 了 ， 说 明 在回 火 中析 出 的 细 小 新相 ， 对低温 塑性 有很不利的影响 。 组试样 淬火 在不 同低温下的强 度如表 所示 。 可 以看出 ， 强度是 逐渐升高的 。 表 不同温度下的屈服强度 形变 后 的表面观察 试验温度℃ 口 ， 平均 乃‘口”﹄悦︸ 币 果 ， 这与钦合金因轴 比 ， 小于 ， 图 示出试样抛光后 ， 经轻微 弯由 形 变后的形貌 。 可以看 出 ， 形 变相当均 匀 ， 滑 移 带 在 各 区 不 同 晶粒 或不 同 相 成 同一位 向 ， 不 同区则成一定的兔 度分布 。 另一 个很重要的特点是滑移带 不 明锐 ， 说 明是 系滑移和交叉 滑移的给 因而滑移系较 多有关
·88· 北京科技大学学报 1993.No.1 2.3断口观察 图2示出断口的扫描电镜形貌。图2为粹火后在室温拉伸的断口，呈细小韧窝状， 明显是韧性断裂。而-75℃的断口，也是细小均匀的韧窝，图2b是淬火加回火后在-75℃ 的断口，明显看出不均匀性，有些深坑可能是回火析出物引起。 029 20U 图1抛光表面在轻微弯曲后的扫描电镜形貌 Fig.1 SEM morphology of polished surface after slightly bending 20KV 20u 图2拉伸后的断口 (a)淬火试样（室温）；(b)淬火加回火试样(-75℃) Fig.2 Fractures after tensil tests 2.4透射电镜观察 透射电镜的薄膜试样取自断口处的高应变区，观察的结果可以归纳为3组：(1)x相 块状组织的碎化，(2)室温和低温形变后不同的位错（及滑移带）组态，(3)低温形变后 复杂多重李晶。试样均为淬火态。 图3显示出形变前后a相块状组织的碎化。图3a为形变前的典型形貌，为细小针状 和板条马氏体（过饱和密排六方点阵）的基体上分布的大片块相（密排六方点阵）。图 3b示出室温拉伸后的典型形貌，显著的特点是x相成大体等轴的块状。图3c示出-75℃ 拉断处的典型貌，此时不但α相的等轴化碎化趋势更为明显，而且马氏体的“自调节变体 集团(self-accommodating variants))”也有等轴化的趋势，而且马氏体片的针状特征减少
北 京 科 技 大 学 学 报 断 口 观察 图 示 出断 口 的 扫 描 电镜形 貌 。 图 为 粹火 后在 室温 拉 伸的 断 口 ， 呈 细小 韧窝状 ， 明显是韧性 断裂 。 而一 ℃ 的 断 口 ， 也是 细小 均 匀的 韧 窝 ， 图 是 淬火 加回 火后在一 ℃ 的断 口 ， 明显看出不 均 匀性 ， 有些 深坑可 能 是 回火析 出物引起 。 图 抛光表面在轻橄弯 曲后的扫描电镜形貌 吐 比 图 拉伸后的断口 淬火试样 室沮 淬火 加 回 火试样卜 ℃ · 透射电镜观察 透射 电镜的 薄膜 试样取 自断 口 处 的 高应变区 ， 观察的 结果可 以归纳为 组 相 块状组 织的 碎化 室温和低温 形变后不 同的位错 及 滑移带 组态 ， 低温 形变后 复杂多重孪 晶 。 试样均 为淬火态 。 图 显示 出形 变前后 相块 状组 织 的碎化 。 图 为 形 变前的 典型形 貌 ， 为细 小针状 和板条 马 氏体 过 饱和 密 排六 方点阵 的 基体上分布的 大 片块 相 密排 六 方点阵 。 图 示 出室 温 拉 伸后 的 典型 形貌 ， 显 著的特 点 是 相 成 大体等轴的 块状 。 图 示 出 一 ℃ 拉断处 的 典型貌 ， 此 时不但 相的等轴 化碎化趋 势更 为 明显 ， 而且 马 氏体的 “ 自调 节变体 集团 一 ，，也 有等轴化 的 趋势 ， 而且 马 氏体 片的针 状特征减 少 ， ‘
Vol.15 No.1 Ti-5A1-2M0-3Zr合金的低温形变 ·89· 板条特征增加，明白显示内部大量位错的运动和重新排列。 图4a示出室温拉伸后的滑移带，图4b示出局部集中分布的位错带，可以看出室温 下形变是滑移起主导作用的。图4C示出-75℃形变的位错分布，特点是均匀分散，量也 很少，不可能给出很大的形变量。 图5示出-75℃拉伸后断口附近的孪晶形貌，图5a中可见到复杂的李晶形貌，图5b 是其局部放大后的明场，图5c是选区衍射图。可见看出，低温形变后，孪晶大量出现， 是塑性形变的主要方式。此外，标定图示出，在复杂的李晶部位，出现“三李晶”取向，即 围绕公共[1120]轴互成120°配置，两两互成{1011}<1012>的李晶组合.更有甚者，这里 出现两组相差约15°的三李晶取向，即双重三李晶取向关系 0.1m 0.1m 0.1m 图3淬火试样的TEM形貌 (a)形变前（室温）(B)形变后（室温）(c形变后(-75℃) Fig.3 TEM morphology of quenched samples 0.1m 0.1m 1 -L 图4形变后a相的透射电镜形貌 (a)室温形变后的滑移带；(b)集中分布的位错线（室温）方(c)均匀分布的位错线(-75℃) Fig.4 TEM morphology of a phase after deformation
一 卜 一 合金的低温形变 板条特 征增加 ， 明 白显示内部大量位错的运动和重新 排列 。 图 示 出室 温 拉伸后的滑 移带 ， 图 示 出 局 部集 中分布 的位错 带 ， 可 以看 出室温 下 形 变是滑 移起 主 导 作用 的 。 图 示 出 很少 ， 不可 能给 出很大 的形变量 。 一 ℃ 形 变的 位错 分布 ， 特点是均 匀分散 ， 量也 图 示 出 一 ℃ 拉伸后断 口 附近的 孪 晶形貌 ， 图 中可 见到 复杂的孪 晶形貌 ， 图 是 其局 部放 大后的 明场 ， 是塑性形 变的 主 要方式 。 图 是选区 衍射 图 。 可见 看出 ， 低温 形变后 ， 孪晶大量 出 现 ， 此外 ， 标定图示 出 ， 在复杂韵 孪 晶部位 ， 出现“ 三 孪 晶 ” 取 向 ， 即 围绕公 共 加」轴互成 “ 配置 ， 两两互成 孔 丁 的 孪 晶组合 更有甚者 ，这 里 出现两 组相 差约 “ 的三李 晶取 向 ， 即双重三李 晶取 向关系 浦长 声 标盆蔽瞬襄 刀 ‘ 一 声。 图 淬火试样的 形貌 形变前演温 形变后 室温 形变后卜 ℃ 户 盯 叨 比 ’ 犷 图 形变后 相的透射电镜形貌 室温形变后的滑移带 集 中分布的位错线 室温 均匀分布的位错线卜 亡
·90· 北京科技大学学报 1993.No.1 0.1ml 图5-75℃形变后的挛晶形貌 (a)复杂的孪晶形貌(6)局部放大的明场相(c选区衍射图 Fig.5 Twin morphology after-75C deformation 3 讨 论 对Ti-523合金过去的研究表明()，这一合金低温下塑性明显高于Ti6I4V合金， 当时认为是Zr的良好作用。本文的研究表明，低温下的塑性与是否回火有关。换言之， 500℃4h回火后，低温塑性与Ti6AI4V相近，而淬火后不回火，则低温塑性甚好。这可 能表明Z的有利作用是在合金成固溶状态时表现突出，而在出现细小的脱溶粒子后，这 种有利作用就消逝了。脱溶过程的研究见3,6)。 T-523合金在降低温度时强度上升，这不但与原子之间结合加强（热运动减小，弹 性模量上升)有关，而且与形变方式的变化有关，即由以滑移为主变为以孪生为主。由于 这一合金的有效滑移系较多，因而这种过渡是圆滑地而不是突变地发生，因而性能逐渐变 化，但仍可看出，形变方式的交替，主要发生在-15一-30℃的温度范围。 在低温下的形变，出现双重三李晶取向。过去曾详细讨论过三李晶的成因和条件刀， 但从未观察到过这种双重三孪晶取向，更未见报导。自然地推定这种形态是-75℃形变过 程中产生，即原来形变前的单重三李晶碎裂旋转而成。如果确是这样，则可推断在形变过 程晶块之间相对转动的角度，可以高过15°，即双重三李晶的差角。可见形变程度是很 剧烈的，这也可以解释a相片块的碎化过程。 4结 论 Ti-523合金的低温形变，有如下特点： (1)若为固溶状态，由于Z的有利作用，低至-75℃仍保持很高的塑性。若有脱溶粒子
北 京 科 技 大 学 学 报 一 一 声川 曰‘ ， 全 弓吮尸曰 映气如 、 ‘ 函口坦些 图 一 ℃形变后的孪 晶形貌 复杂的孪晶形貌 局部放大的明场相 准区衍射图 · 一 ℃ 讨 论 对 一 合 金 过 去 的 研 究表 明 川 ， 这 一 合金 低温 下 塑性 明 显 高于 合 金 ， 当时 认 为 是 的 良好 作 用 。 本文 的 研究表 明 ， 低温 下 的 塑性 与是 否回 火有关 。 换 言之 ， ℃ 回 火 后 ， 低温 塑性 与 相近 ， 而 淬火 后不 回 火 ， 则低温 塑性 甚好 。 这可 能 表 明 的 有 利作 用 是在 合金成 固溶状态时 表 现 突 出 ， 而在 出现 细小的 脱 溶粒子后 ， 这 种有 利 作用就消逝 了 。 脱溶过 程的研究见 〔，〕 。 一 合 金 在 降 低温 度时强 度上升 ， 这 不 但 与原子 之 间结 合加 强 热 运 动 减 小 ， 弹 性模量上升 有关 ， 而且与形 变方式的变 化有关 ， 即 由以 滑移为主 变为以 孪生为主 。 由于 这一 合 金的 有效滑移 系较多 ， 因而这种过 渡是 圆滑地 而不 是 突变地发 生 ， 因 而性 能逐 渐变 化 ， 但 仍可 看 出 ， 形 变方式的 交替 ， 主要 发生在一 一 ℃ 的 温 度范围 。 在 低温 下的形 变 ， 出现双 重三孪晶取 向 。 过 去 曾详细讨论过三孪 晶的成 因和 条件 叮’ 〕 ， 但从 未 观察 到 过 这种双 重三 孪 晶取 向 ， 更 未 见报 导 。 自然地推定这种形 态是 一 ℃ 形 变过 程 中产 生 ， 即原来 形变前的单重三 孪晶碎 裂旋转而成 。 如果确是 这样 ， 则可 推断在形 变过 程 晶块之 间相 对转 动 的 角度 ， 可 以 高过 “ ， 即 双重三 孪 晶的差 角 。 可 见形 变程 度是很 剧烈 的 ， 这 也可以 解 释 相 片块 的 碎 化过 程 。 结 论 一 合 金的 低温形变 ，有如 下 特点 若为 固 溶状态 ， 由于 的有 利 作 用 ， 低 至 一 ℃ 仍 保持很 高的 塑性 。 若有脱溶粒 子