α型鈦合金變形引起的三級應變硬化的研究

（南京理工大學，江蘇 南京 210000）

本文包含α鈦變形引起的應變硬化的研究。相關討論和分析建立在對于由SALEM等人研究[1]基礎之上。

近年來, 由于變形引起的α鈦的應變硬化機理得到了廣泛的討論。根據 Degarmo[2], 應變硬化是由金屬的塑性變形所引起的強化現象。在這種情況下, 當α-鈦的應力超過其彈性極限時, 將發生兩種可能的永久性變形: 滑移和孿晶。

1 三級應變硬化和三種應變機制

在室溫情況下的壓縮試驗中, 高純度α-鈦的應變硬化有著截然不同的三個階段, 它在Salem等人[3]所做的實驗中得到了記錄。A 階段的特征是由于動態恢復而導致的應變硬化率下降。B 階段的特征是由于孿晶變形所引起的應變硬化速率的增加。而在高應力下則可看到應變硬化率下降的C階段。

（1）Hall-Petch 效應

為了討論Hall-Petch 效應, 作者在室溫下對兩種不同晶粒尺寸的樣品進行了單軸向厚度壓縮試驗, 并利用Hall-Petch硬化方程, 將其與 Hollomon方程相結合, 進行應力和塑性應變計算。

（2）Basinski 機制

根據 Basinski機制, 強度/硬度的逐漸增加是由于在孿晶變形中晶體位移方式的變化。在研究了材料在應變后孿晶矩陣部分的顯微硬度變化后，作者通過進行的顯微硬度壓痕實驗得出應變矩陣區域的硬度比沒有應變的矩陣部分高。

（3）紋理變化所引起的軟化效應

在檢查了純鈦在室溫單軸壓縮過程中的紋理演化后,發現在少量塑性變形后, 在極端的外圍出現新的紋理組成部分, 該紋理組成部分隨應變的增加而增大。

2 實驗機制討論

為了解釋孿晶形變引起的應變硬化，本文將討論兩種硬化機制, 即Hall-Petch效應和 Basinski 硬化機制。Hall–Petch 效應定義是通過改變其平均晶粒尺寸來增強材料的方法。根據Hansen[4]減少晶粒大小將導致材料變得更加強硬。

論文[1]選擇高純度α鈦，為了確定室溫下的力學行為,在恒定應變率下進行了單軸向厚度應變壓縮試驗。然后得到樣品平均粒度和屈服強度。再將實驗數據帶入 Hall–Petch方程, 之后便可得到 ky(強化系數)。

在B階段，為了定量的將實測的應力應變和基于Hall-Petch方程的理論計算值相比較。假設在 A 階段, α-鈦只經歷了滑移變形，則 Hollomon 的理論應力-應變可以用來表達在階段 A的實際曲線。

根據Bowen和Partridge[5], Hollomon 的等式顯示出了一種應力和塑性應變之間的關聯。另外根據Salem等人的實驗數據[1], 可畫出一條相對應的外推曲線。再將Hall-Petch硬化方程與此相結合，從而得到理論有效晶粒尺寸的方程式。然后根據所得到的應力數據計算出有效晶粒尺寸, 并與以往計算所得到的ky相結合。將數據代入原始Hall-Petch硬化方程。

比較這兩種不同的結果, 根據應力應變試驗數據計算出的有效晶粒尺寸比根據Hall-Petch硬化模型和Hollomon 應力模型計算出的粒徑要小得多。

這一比較證明了Hall-Petch和 Hollomon 模式的不足。

因此可以假設還有一個額外的機制, 導致材料的變形軟化，即紋理變化所引起的軟化效應。

此外，從 Nemat等人的報告中[6], 在B階段，α-鈦異常增加的應變硬化率也被發現并進行了討論。在其實驗基礎上，應變硬化率與真實應變之間的關系能夠被建立起來，測試樣本在77K 和798K 沒有明確的應變硬化率增加的B 階段, 應變硬化率變化的三階段并不發生在極端低溫或高溫。

與論文[1]比較, Nemat等人[6]使用了一個復雜的模型來設法將模型數據與實驗數據相擬合。由于目前還沒有能充分描述HCP金屬所有變形機制的理論模型。Nemat等人 [6]使用一個由Isaacs[7]和 Li[8]為 BCC和FCC金屬開發的物理模型。通過此模型發現在低溫77K 和高溫798K 時, 理論模型的曲線結果與實驗數據吻合較好。然而，在室溫和相對較高的溫度598K下，模型曲線并不能與實驗數據較好的吻合。

3 結論

本文討論了α鈦的三階段應變硬化現象, 并通過基本的原理的分析，在這份報告中, 通過基本的原理的分析，對所有的三種機制 (Hall–Petch 效應, Basinski 機制和由于紋理變化造成的軟化現象) 都進行了相應的討論和詳細的解釋。并在本報告中分析了用于研究這些機制的相關實驗。本報告的主要發現：

（1）在室溫下, Hollomon 塑性變形方程可用于預測α-鈦在 A 階段的應力-應變曲線。

（2）溫度對α鈦的三級應變硬化有很大的影響。在低溫或高溫的條件下, 三級應變硬化現象并不發生。

（3）可以進行進一步的試驗, 來定量地研究α鈦變形中的 Basinski 機制。

（4）需要進一步的實驗來定量地研究不同應變和溫度下的紋理變化現象。

[1]A.A.Salem,S.R.Kalidindi,and R.D.Doherty&S.L.Semiatin:Acta Mater.,2005,vol.12,pp.169-94

[2]Degarmo,Black&Kohser 2003.DeGarmo's Materials and Processes in Manufacturing 11th Edition p.60.

[3]A.A.S a l e m,S.R.K a l i d i n d i,a n d R.D.D o h e r t y:A c t a Mater.,2003,vol.51,pp.4225-37.

[4]Hansen,N.2004.Hall–Petch relation and boundary strengthening.Scripta Materialia,51,801-806

[5]Bowen,A.W.,&Partridge,P.G.1974.Limitations of the Hollomon strain-hardening equation.Journal of Physics:D Applied Physics

[6]S.N e m a t-N a s s e r,W.G.G u o,a n d J.Y.C h e n g:A c t a Mater.,1999,vol.47,pp.3705-20.

[7]Nemat-Nasser,S.and Isaacs,J.B.,Acta mater.,1997,45,907.

[8]Nemat-Nasser,S.and Li,Y.L.,Acta mater.,1998,46,565.