鈦合金β→α相變的變體選擇

1、鈦合金B(yǎng)a相變的變體選擇Material Sciences 材料科學，2014, 4, 197-204Published Online September 2014 in Hans. /journal/ms/10.12677/ms.2014.45028Variant Selection of廠 a PhaseTran sformatio n in Tita nium AlloysYi Ya ng 1通訊作者。, Yafe ng Lu 2, Peng Ge2, Lia ng Feng 2, Lei Qu2,3, Wei Z

2、hou 2, Aiju n Hua ng 11Research In stitute (R & D Cen ter), Baosteel Group Cooperati on, Sha nghai2Northwest Institute for Non-Ferrous Metal Research, Xi' an3Xi an Un iversity of Architecture and Tech no logy, Xian*Email: yiyang.imrthndthReceived: Jul. 4 , 2014; revised: Aug. 2, 2014; accept

3、ed: Aug. 15 , 2014Copyright ? 2014 by authors and Ha ns Publishers Inc.This work is lice nsed un der the Creative Commons Attributi on In ter nati onal Lice nse (CC BY). http:/creativecom mon /lice nses/by/4.0/Abstracta transformation is the most essential phase transition in titanium alloys. T

4、hea phase formedin the B matrix is orie nted accord ing to the so-called Burgers orie ntati on relati on ship, viz.(0001) a/110Band <11 2 0> a/<111> B. Because of the symmetry of the two crystals, 12ava-rian ts can form in a B grain theoretically. Varia nt selecti on can take place in al

5、most all kinds of titan ium alloys and decli ne the stre ngth, plasticity and fatigue resista nee, which have bee n atte nded by the researchers gradually. To con trol the occurre nee of varia nt selecti on will be one of the potential methods to improve the properties of titanium alloys. In this pa

6、per, by integrating our research work, the progress in research of variant selection of嚴 a phase transformation in titanium alloys is briefly reviewed from aspects of the substance and the reason of variant selection, and its in flue nce on the mecha ni cal properties. The problems at prese nt study

7、 and the research directions in the future are also analyzed.KeywordsTita nium Alloy, Phase Tran sformatio n, Crystallography, Varia nt Selecti on, Review鈦合金 嚴況相變的變體選擇楊義1*，盧亞鋒2,葛 鵬2,馮 亮2,屈 磊2,3，周 偉2,黃愛軍1寶鋼集團中央研究院，上海2西北有色金屬研究院，西安3西安建筑科技大學，西安*Email yiyang.imr收稿日期：2014年7月 4日；修回日期：2014年8月2日；錄用日期：2014年8月

8、15日摘要Ba轉變是鈦合金中最基本和最重要的一種相變，兩相之間存在嚴格的 Burgers取向關系，即(0001) a/110 B和<11 20> a/<111> B,這種關系決定了在一個B晶粒內(nèi)可能會岀現(xiàn)12個講目變體。在各種類型的鈦合金中，均會岀現(xiàn)在一個B晶粒內(nèi)只有少數(shù)幾個取向的林目能夠存在的現(xiàn)象，即發(fā)生變體選擇，其對強度、塑性、疲勞等力學性能的負面影響逐步被關注，抑制其發(fā)生將是進一步提高鈦合金性能的潛在方法 之一。本文結合作者的研究工作，介紹了鈦合金中轉變時發(fā)生變體選擇的本質(zhì)、成因以及對合金力學性能的影響等方面的研究現(xiàn)狀，并分析了該研究方向目前存在的問題和今后的研究

9、重點。關鍵詞鈦合金，相變，晶體學，變體選擇，綜述1. 引言鈦合金中存在多種類型的相變， 卻或/和在時效的過程中均會發(fā)生。嚴a相變是其中最基本和最重要的一種，幾乎所有鈦合金自高溫冷a/B兩相之間存在嚴格的Burgers取向關系，即(0001) a/110 B和<1120> a/<111> B1。由于晶體的對稱性， 這種關系決定了在一個 B晶粒內(nèi)可以形成12種晶體學取向的 a相, 即12個a相變體(見表1)，這些a相之間存在132種相對取向關系和 5種類型的a a晶界2。理想狀態(tài)Table 1. Twelve equivalent variants of the Burge

10、rs orientation relationship relating the B matrix to the a product phase 2表1.與B相具有Burgers取向關系的12個等價的a相變體2VariantsOrientation relationshipA（ooo1）a/（11O）B 112 0 a/111 bB（ooo1）a/（1O1）b 112 0 a/111 bC（ooo1）a/（o11 b 1120 a/111 bD（ooo1）a/（11o）b 112 0 a/門11 bE（ooo1）a/（1O1）b 112 0 a/11 bF（ooo1）a/（o11 b 1120

11、如11 bG（ooo1）a/（11o）b 11 o a/1刁1 bH（ooo1）a/（1O1）b 112 0 a/1 彳1 BI（0001）a/（011）b 11 刃a/門1 bJ（0001）a/（110）B 112 0 a/11知 BK（0001）a/（101）b 10 o/11'1 bL（0001）a/（011）b 11 刃a/11刁 b下，12個晶體學取向的 a相會同幾率形成，此時稱為無變體選擇。然而，在實際材料中，嚴a相變時a的12個變體通常不會同時和同機率岀現(xiàn)，經(jīng)常會岀現(xiàn)只有少數(shù)取向的a相能夠形成的現(xiàn)象，此時稱為發(fā)生了變體選擇3。鈦合金的力學性能不只與a相的空間形態(tài)分布（表現(xiàn)

12、為不同類型的顯微組織和相尺寸）和宏觀晶體學分布（表現(xiàn)為織構的強弱）有關，還受到a相變體選擇的影響，a相變體選擇對強度、塑性、疲勞等力學性能的負面影響逐步被關注4-10，抑制其發(fā)生將是進一步提高鈦合金性能的潛在方法之一。與對鈦合金顯微組織、宏觀織構和力學性能的研究相比，對嚴a相變時變體選擇的研究要少得多，主要原因可能是適用于變體選擇研究的最佳手段是電子背散射衍射技術（EBSD），而該技術在近十幾年才得到迅猛的發(fā)展和較為廣泛的應用；另外，變體選擇對力學性能的影響不如顯微組織類型和宏觀織構的影響 強烈，而且不易被檢測到，導致其對力學性能的影響可能沒有被足夠的認識并受到普遍的重視。本文結 合作者的研究

13、工作，從變體選擇的本質(zhì)、成因以及對合金力學性能的影響等幾個方面，介紹了鈦合金中 嚴a轉變時變體選擇研究的現(xiàn)狀，并分析了該研究方向目前存在的問題和今后的研究重點。2. 變體選擇的本質(zhì)在宏觀上無序的鈦合金，假定其包含最基本的a和B兩相，當選取的空間范圍減小到一定尺度時，總會存在包含單一取向a相的區(qū)域（一個原始母相 B晶粒內(nèi)的一部分），宏觀材料便是無數(shù)個這種區(qū)域的有機集合體。理想狀態(tài)下，在這一微小空間的原母相內(nèi)，所有12個a相變體具有相同的形成幾率，形成何種取向的a相是隨機的。從熱力學角度來說，形成其中任意一個a相變體所造成的系統(tǒng)能量變化是完全相同的。當把范圍擴大到一個B晶粒內(nèi)，那么，最終形成的12

14、個a相變體所占有的體積分數(shù)是相同的，即無變體選擇（見圖1（a）11）。然而，在實際材料中，由于各種復雜因素的存在，這一微小空間的原母相 在發(fā)生 嚴a相變時受該處周圍環(huán)境的影響，會造成某一個 a相變體更容易形成。從熱力學角度來說，形成這一 a相變體所造成的系統(tǒng)能量降低會更多，即發(fā)生了變體選擇（見圖1（b）11）。它會造成在一個B晶粒內(nèi)僅有少數(shù)幾個a相變體能夠形成。因此，變體選擇的本質(zhì)原因是其發(fā)生時系統(tǒng)的能量降低更多，從表象上來說，它實際上是a相的局部擇優(yōu)取向生長。3. 變體選擇的成因及對性能的影響近年來，通過實驗和模擬相結合對嚴a轉變時的變體選擇開展了一些研究，結果表明，其在各種類型的鈦合金中均

15、會發(fā)生，造成變體選擇的主要因素有初生a相12-15、特殊的B晶界3 16-18和B相中的位錯7 8等。Figure 1. Two-dimensional view of variant distribution. (a) No variant selection; (b) Variant selection. (one variant per shape) 11圖1.變體分布二維示意圖。(a)無變體選擇；(b)有 變體選擇(每個形狀代表一個變體)11Germain和Humbert等人12卜15在研究a+ B相區(qū)變形和熱處理的IMI 834近a型鈦合金時發(fā)現(xiàn)，合金中存在一些幾個平方毫米范圍的等軸

16、初生a相的(0001) a面微織構區(qū)域，被稱為“宏區(qū)”，區(qū)域內(nèi)80%的次生a片層的(0001) a面與初生 a相的(0001) a面平行(見圖214)。作者等人對魏氏組織的 BT18Y 近a型鈦合金在a+ B相區(qū)的固溶處理進行了初步研究，實驗結果表明，空冷時次生 a片層在初生 a片的端部形核，并保持與初生a片相同的晶體學取向生長19(見圖3,未發(fā)表)。已經(jīng)有多名研究者報道，疲勞裂紋主要紋萌生于(0001) a面上，(0001) a面的局部微織構使得單個 a相內(nèi)萌生的微裂紋不需要改變方 向就能夠在微織構區(qū)域內(nèi)擴展，很容易就能合并成較大尺寸的裂紋，從而降低材料的疲勞性能4-6 9Figure 2.

17、 Macrozones in IMI834 near a titanium alloy. EBSD map of the primary a grains (即)(a) and the secondary a colonies ( a) (b) (the color key is given by the PFs at the right side) 14圖2. IMI834近a鈦合金中的“宏區(qū)”。初生a晶 粒(a) (a)和次生a片束(a) (b) 的 EBSD取向圖14Figure 3. Secondary a lamellae ( a) nucleating and growing fr

18、om the end of primary a lamellae ( a), keeping the crystallographic orientation of ap. (a) SEM image; and pole figures of a (b) and a (c)圖3. BT18Y鈦合金中次生 a片層(a)在初生a片層(初的端部形核生長并保持與 a相同的晶體學取向。 (a) SEM圖；(b)初生a(op)極圖；(C)次生a (a)極圖10。這種變體選擇的發(fā)生是由于初生a相為次生 a相提供了形核位置，降低了形核的能量。改變和增加次生a片的形核位置以減弱初生a相的影響將是減弱此類變體選擇

19、的研究重點。作者等人對BT18Y合金的初步研究結果表明，通過控制冷卻速度結合適當?shù)暮罄^熱處理可以有效增加次生a片的變體數(shù)量,更全面和深入的研究正在繼續(xù)開展。a相與其中一側的 B相具Furuhara等人20和Miyano等人21的研究表明，在B晶界上析岀的晶界有共格的取向關系，而與另一側的B相沒有取向關系，顯然，前者的a B界面能較低而后者較高Bhattacharyya 等人16 17和 Stanford 與 Bate18分別研究了 a+ B型的 Ti-6246 和 Ti-6AI-4V 合金在 B 相 區(qū)固溶后冷卻過程中的 Ba相變，進一步分析了相鄰兩個B晶粒的晶體學取向差對變體選擇的作用。 結

20、果表明，當兩個B晶粒有一個110 B面平行時，析岀的晶界a相的(0001) a面將平行于該共同的110 B面,晶界a相兩側生長的a片盡管在形貌上可能存在很大的角度差，但是它們的(0001) a面平行。特別地，對于以<110> B軸旋轉10.5?和以<111> B軸旋轉60?的相鄰兩個 B晶粒，晶界a相與兩側的B相均具有共格 的取向關系，并且與兩側的晶內(nèi)a片甚至可以具有相同的晶體學取向(見圖416)。這意味著，發(fā)生變體選擇的a片束團盡管在形貌上與相鄰的a片束團具有不同的方向，但是在晶體學上卻是一個整體，即a片束團的實際晶體學尺寸增加了。這使得在變形時位錯的有效滑移程增大，

21、合金的強度和疲勞性能會因此而降低22。造成晶界a相發(fā)生變體選擇的原因是形成這種取向的晶界a相會使得兩側的a/B界面能總和最低，而在晶界a相形成后，其相對于兩側后形成的晶內(nèi)a片為初生a相，從而使得兩側從該處形核的晶內(nèi)a片也發(fā)生變體選擇。控制該類型變體選擇的發(fā)生需要消除有一個110 B面平行的兩個相鄰B晶粒，而弄清該類BB晶粒偶的來源問題是研究的關鍵。傳統(tǒng)觀點認為這種特征的BB晶粒偶來源于高溫下塑性變形和再結晶的B相織構12，最近有觀點則認為其來源于具有特殊取向關系的兩個相鄰a晶粒加熱時 a B轉變的變體選擇23，目前仍缺乏直接證據(jù)來充分支持這兩種觀點。至今為止，前一種觀點仍占主導地位，認為要減弱

22、該類型a相的變體選擇，應該采用能夠減小或避免110 B織構的熱機械處理。近年岀現(xiàn)的帶原位加熱功Figure 4. OM image of the Widmanst?tten structure, showing a lamellae on two sides keeping the same crystallographic orientation with grain boundary a phase, although the directions of a being different to each other. Similar orientations displaying in

23、similar colors 16 圖4.魏氏組織的OM圖，表明晶界 a相(GB a)與兩側 的a片盡管生長方向差異很大，但是具有相同的晶體學 取向。相近的取向表現(xiàn)為相近的顏色16(b)'；_：""疋沱i I-第曜；Figure 5. (a) a precipitates formed in the slip band; (b) Schematic illustration showing the variant selection of a in the slip band 7圖5. (a) a相在滑移帶中析出；(b) a相在滑移帶中發(fā)生 變體選擇的示意圖7能的電

24、子背散射衍射技術使得通過實驗精確研究aB相變晶體學成為了可能24，為開展對后一種觀點的實驗研究提供了有力的技術支持，但是目前仍未見有相關報道，作者等人目前正在開展相關研究。Furuhara等人7 8對B單相區(qū)固溶后的B型Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al鈦合金進行冷軋后時效，發(fā)現(xiàn)在滑移帶中的位錯上析岀的a相的(1 1 00) a面平行于112 B滑移面，密排方向112 0 a平行于位錯的柏氏矢量<111> B方向(見圖57)O由于在一個112 B滑移面上僅有一個<111> B柏氏矢量，滑移帶中析岀的a相將具有相同的取向，這種變體選擇的發(fā)生是因為位錯應變場可以有效吸收相

25、變應變。此時，盡管細小c相的強化會使得合金具有高強度，但是塑性和韌性卻很差。由于時效時a相優(yōu)先在滑移帶中析出，而且a相的取向與位錯的晶體學特征密切相關，因此改變?nèi)毕莘植际窃擃愖凅w選擇的研究重點。Furuhara等人7 8已經(jīng)開展了相關研究，他們對上述合金通過在輕微冷軋和時效之間插入短時的B相區(qū)回復處理，使得滑移帶中平行的位錯演化成B亞晶界，時效時在亞晶界上析岀的a相取向不再受位錯柏氏矢量的限制，a相變體明顯增多，改善了鈦合金的強/塑性、強/韌性平衡，為該類型鈦合金綜合性能的優(yōu)化提供了一種新的思路。4. 結語近年來，關于鈦合金中嚴a轉變時變體選擇的研究逐年增多，并獲得了一些有意義的結果，但是與對

26、鈦合金顯微組織、宏觀織構和力學性能的研究相比，對嚴a相變時變體選擇的研究要少得多。從變體選擇對性能的影響來看，減弱或抑制其發(fā)生將是進一步提高鈦合金性能的潛在方法之一。但是，從目前 的報道來看，對 嚴a相變的變體選擇的控制缺乏有效的手段，仍然無法從根本上消除變體選擇的發(fā)生。 目前關于鈦合金中 嚴a相變時變體選擇的研究絕大多數(shù)均是由美國、英國、法國、日本、加拿大等發(fā)達 國家的研究人員完成。近年來，我國在鈦合金基礎研究方面的投入不斷加強，但是與發(fā)達國家相比仍有 不小的差距。我們有必要深入開展相關研究，這不光對于進一步促進鈦合金相變晶體學的基礎研究發(fā)展 具有學術意義，對于進一步提高鈦合金的性能也具有應

27、用價值?；痦椖繃易匀豢茖W基金資助項目(51001088)。參考文獻(References)1 Burgers, W.G. (1934) On the process of transition of the cubic body centered modification into the hexagonal close packed modification of zirconium. Physica, 1, 561-586.2 Wang, S.C., Aindow, M. and Starink, M.J. (2003) Effect of self-accommodation on

28、a a boundary populations in pure titanium. Acta Materialia , 51, 2485-2503.3 Bohemen, S.M.C.V., Kamp, A., Petrov, R.H., Kestens, L.A.I. and Sietsma, J. (2008) Nucleation and variant selection of secondary a plates in a BTi alloy. Acta Materialia , 56, 5907-5914.4 Bache, M.R., Cope, M., Davies, H.M.,

29、 Evans, W.J. and Harrison, G. (1997) Dwell sensitive fatigue in a near alpha titanium alloy at ambient temperature. International Journal of Fatigue , 19, 83-88.5 Biavant, K. L., Pommier, S. and Prioul, C. (2002) Local texture and fatigue crack initiation in a Ti-6Al-4V titanium alloy. Fatigue and F

30、racture of Engineering Materials and Structures , 25, 527-545.6 Szczepanski, C.J., Jha, S.K., Larsen, J.M. and Jones, J.W. (2007) The role of microstructure on fatigue lifetime variability in an a+ pTi-alloy. In: Allison, J.E., Jones, J.W., Larsen, J.M. and Ritchie, R.O., Eds., Fourth International

31、Conference on Very High Cycle Fatigue , Wiley, Ann Arbor.7 Furuhara, T. and Maki, T. (2001) Variant selection in heterogeneous nucleation on defects in diffusional phase transformation and precipitation. Materials Science and Engineering A, 312, 145-154.8 Furuhara, T., Maki, T. and Makino, T. (2001)

32、 Microstructure control by thermomechanical processing inp-Ti-15-3 alloy. Journal of Materials Processing Technology , 117, 318-323.9 Bache, M.R. and Evans, W.J. (2001) Impact of texture on mechanical properties in an advanced titanium alloy. Materials Science and Engineering A , 319-321,409-414.10

33、Evans, W.J., Jones, J.P. and Whittaker, M.T. (2005) Texture effects under tension and torsion loading conditions in titanium alloys. International Journal of Fatigue , 27, 1244-1250.11 Gourgues-Lorenzon, A.F. (2007) Application of electron backscatter diffraction to the study of phase transformation

34、s. International Materials Reviews , 52, 65-128.12 Germain, L., Gey, N., Humbert, M., Bocher, P. and Jahazi, M. (2005) Analysis of sharp microtexture heterogeneities in a bimodal IMI 834 billet. Acta Materialia , 53, 3535-3543.13 Germain, L., Gey, N., Humbert, M., Hazotte, A., Bocher, P. and Jahazi,

35、 M. (2005) An automated method to analyze separately the microtextures of primary ap grains and the secondary a inherited colonies in bimodal titanium alloys. Materials Characterization , 54, 216-222.14 Germain, L., Gey, N., Humbert, M., Vo, P., Jahazi, M. and Bocher, P. (2008) Texture heterogeneiti

36、es induced by sub- transus processing of near “titanium alloys. Acta Materialia , 56, 4298-4308.15 Humbert, M., Germain, L., Gey, N., Bocher, P. and Jahazi, M. (2006) Study of the variant selection in sharp textured regions of bimodal IMI 834 billet. Materials Science and Engineering : A, 430, 157-1

37、64.16 Bhattacharyya, D., Viswanathan, G.B. and Fraser, H.L. (2007) Crystallographic and morphological relationships between p phase and the Widmanst?tten and allotriomorphic a phase at special pgrain boundaries in an a ptitanium alloy. Acta Materialia , 55, 6765-6778.17 Bhattacharyya, D., Viswanathan, G.B., Denkenberger, R., Furrer, D. and Fraser, H.L. (2003) The role of crystallographic and geometrical re