预应变时效对Ti-2.5Cu合金力学性能的影响

宋振亚, 张临财, 任衍彪, 刘 泳, 彭 孜，傅珠荣,董建光

(1.枣庄学院，山东 枣庄 277160)(2.绍兴市天龙锡材有限公司，浙江 绍兴 312030)

0 引 言

冷变形加上后续的时效处理是提高钛合金强度最有效的方法之一[1-3]。经过冷变形后材料内会留下变形晶体缺陷(如孪晶、位错等)，在后续的时效过程中会对析出行为(如析出动力学、析出相的形态、分布等)产生重要影响，进而影响材料的力学性能。Song等[4-5]研究发现，经预应变处理的Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al合金强度较未变形的合金有较大幅度的提高，同时提出通过二次时效工艺来提高合金的塑性。Morita 等[6]研究发现，冷轧加工可以加速Ti-20V-4Al-1Sn合金时效过程中α相的析出进程，其中轧制变形量为70%的合金在673～873 K仅6 s就开始析出α片，且时效后的强度有了明显的提高。Furuhara等[7]研究发现，在经过冷变形的固溶态Ti-15V-3Cr-3Sn-3A1合金中，时效时α片倾向于在位错缠结带和晶界等处析出，与此同时在这些晶体缺陷处形核长大的α片的变体，由于受到缺陷周围应力场的影响，某种特定位相的变体会优先形核生长。BT16钛合金薄板材在经过70%的冷变形后，抗拉强度可达到1 500 MPa 以上[8]。

与此同时，结构件用钛合金的低周疲劳性能也受到了广泛关注。黄利军等[9]研究了Ti1023合金由应变控制的室温低周疲劳行为，结果表明其疲劳寿命与应变幅符合Coffin-Mason关系，并且合金在低应变幅时，循环初期表现出轻微的循环硬化，而在高应变幅时则表现为循环软化。陈威等[10]对二次时效后的Ti1023合金进行低周疲劳试验，发现高应变幅时出现循环软化，低应变幅时则表现为循环应力饱和，且二次时效后疲劳裂纹稳定扩展区的疲劳条纹以穿晶方式扩展,并伴随着撕裂棱和二次裂纹。宋振亚等[11]通过对预应变时效的TB3钛合金进行低周疲劳试验，发现在低应变幅时，预应变样品具有高的疲劳寿命。

可以发现，目前的冷变形时效及其力学性能研究多集中在β以及近β钛合金中[12]。对于可进行热处理强化的一种近α钛合金(Ti-2.5Cu)而言，其强化机理与上述钛合金有所不同[13-14]。不同于传统钛合金时效析出α相的强化机制，该合金时效析出的Ti2Cu相与基体的晶体学位相关系及相应的变体选择效应等都会对合金的性能产生影响[15]。

目前，对于钛合金的热加工性能已经有较多研究。在热加工过程中，变形产生的诸如位错等晶体缺陷由于发生动态再结晶而得到大量消除。然而，对于冷加工成形而言，由于变形温度较低，变形产生的缺陷不能通过再结晶的软化过程得到消除，会对后续的时效析出行为产生较大的影响，从而进一步影响合金的力学性能[16]。因此，研究固溶处理后的冷变形对钛合金随后时效过程中析出相的析出行为及合金最终力学性能的影响，并在此基础上建立合金性能的理论预测模型，定量表征微观组织与力学性能的关系, 将有助于精确控制加工工艺以及时效工艺的参数，进而得到具有优良综合力学性能的合金。

1 实 验

实验所用Ti-2.5Cu 合金由西北有色金属研究院提供，名义成分(质量分数)为:2.43%≤Cu≤2.6%，N 0.006%，O 0.15%，余量为Ti。固溶处理制度为805 ℃保温 1 h 后水冷。固溶处理后取样加工成标距35 mm、直径7.5 mm的拉伸试样。在室温下进行预应变拉伸，拉伸速率为5.0×10-4s-1，变形量分别为0.05、0.1、0.15、0.2时停止拉伸。对变形试样进行时效处理，时效工艺分为2种:一次时效为400 ℃保温24 h空冷；二次时效是将一次时效后的样品在475 ℃保温8 h后空冷，详细的处理工艺如图1所示。时效后的拉伸试样是在预变形试样标距内进行二次加工而成，标距为12 mm，直径为5 mm。为获得统一的试验结果，将未变形的试样加工成同样的形状与尺寸。采用Instron1195拉伸试验机进行拉伸试验，应变速率为1.0×10-4s-1。采用JEM-2100F透射电子显微镜(TEM)进行组织分析。透射样品采用双喷减薄的方法在-20 ℃制备，双喷腐蚀液的配比为高氯酸5%，正丁醇35%，甲醇60%(均为体积分数)。采用Instron1314型电液侍服疲劳试验机进行室温对称拉-压低周疲劳试验，应变速率恒定为4×10-3s-1，选择总应变幅为1%、1.5%和2%，各个试样均疲劳至断裂。采用JEM-200CX扫描电子显微镜(SEM)进行疲劳断口分析。

图1 Ti-2.5Cu合金的预应变时效工艺路线Fig.1 Prestrain and aging processes of Ti-2.5Cu alloy

2 结果与分析

2.1 预应变时效组织

图2是预应变Ti-2.5Cu合金经过一次和二次时效工艺处理后的TEM形貌。由图2可以看出，经过一次时效后，其析出相尺寸较小，其中0.2预应变试样仍保留有大量的冷变形组织(图2b)。经过二次时效后，析出相明显长大，同时冷变形组织也明显减少(图2c、d)。

图2 预应变时效Ti-2.5Cu合金的TEM形貌Fig.2 TEM images of Ti-2.5Cu alloy after prestrain and aging: (a)0.1 prestrain, after first aging； (b)0.2 prestrain, after first aging；(c)0.1 prestrain, after second aging； (d)0.2 prestrain, after second aging

从上述分析可知，冷变形后的Ti-2.5Cu合金经过一次时效或二次时效后，会发生部分回复，但是并未发生再结晶来消除变形产生的位错。另一方面，经过相同时效处理后，预应变时效合金中析出的Ti2Cu粒子的直径相比无预应变合金的大一些[2]。这是由于合金经过预应变后，引入了大量高密度的位错和缺陷，这些高密度的位错和缺陷在后续的时效过程中充当了高效的溶质原子扩散通道，因而溶质原子在时效过程中可以快速扩散聚集。同样的，为了降低形核能垒，Ti2Cu粒子将会优先在位错缠结区析出生长，伴随溶质原子的快速扩散，其形核生长速度与自由时效合金相比要快一些，故在相同时效工艺下，其尺寸要大一些。

2.2 预应变时效后的拉伸性能

图3为不同预应变Ti-2.5Cu合金经过一次时效和二次时效处理后的拉伸性能。从图3a可以看出，相对于一次时效处理，二次时效后合金强度的增加量随着预应变量的增加而减小，当预应变量超过0.15后，合金的强度相比0.1预应变的试样有所降低。其原因可能有:①预应变量增加使得Ti-2.5Cu合金内部位错密度增加，提高了扩散速度，加快了析出动力学过程，从而导致过时效[13]；②虽然在500 ℃以下时效，合金不能发生有效的再结晶过程(纯钛再结晶温度约为700 ℃)，但是会发生静态回复，这会导致合金强度出现一定程度的下降，这种回复效应随着应变量的增加和温度的升高会越来越明显。

图3 不同预应变量下Ti-2.5Cu合金时效后的拉伸性能Fig.3 Tensile properties of Ti-2.5Cu alloy after different prestrain and aging: (a)yield strength; (b)elongation

从图3b可以看出，预应变对Ti-2.5Cu合金时效后的延伸率没有明显影响，这说明通过预应变时效处理可以在提高合金强度的同时保持良好的塑性，从而可以使合金得到强韧化。产生这一现象的原因可能有2个[17]:①高温回复消除了部分因冷变形产生的位错；②粒子强烈长大引起明显的过时效。

图4是预应变0.1的Ti-2.5Cu合金经过一次和二次时效处理后的拉伸断口形貌。由图4可以看出，Ti-2.5Cu合金经过预应变后，一次时效和二次时效后的断口形貌差别不大，都是由部分穿晶断裂的韧窝加上部分沿晶断裂混合构成。这说明一次时效和二次时效处理对Ti-2.5Cu合金的断裂方式没有显著影响。

图4 预应变0.1的Ti-2.5Cu合金经不同时效后的拉伸断口形貌Fig.4 Tensile fracture morphologies of Ti-2.5Cu alloy with 0.1 prestrain after different aging: (a)after first aging； (b)after second aging

合金固溶处理后先进行预应变，再进行时效处理，经这种工艺处理后与自由时效状态有2点差异:第一，预先冷变形引入了大量的位错等体缺陷，在本实验使用的时效工艺条件下(400 ℃×24 h/AC+475 ℃×8 h/AC)不足以发生再结晶过程来消除这些缺陷，时效后合金内部仍然残留大量的位错(如图2所示)；第二，预先冷变形引入的大量位错对Ti2Cu粒子的析出动力学过程有加速作用。钛合金在时效过程中的回复主要通过异号位错的湮灭来实现，故对预应变后时效的合金，就强度而言只需考虑内部残留位错对强度增加的贡献量即可，所以根据Taylor位错强化关系[13]将得到式(1)。

(1)

式中:σ0为纯钛强度，MPa；Δσss为Cu原子固溶强化的强度增加值，MPa；M为Taylor因子；α为常数；G为剪切模量，MPa;b为伯氏矢量，nm;ρ为合金内部由于冷变形而增加的位错密度，m-2。

将式(1)进一步简化可以写成[18]:

(2)

式中:K为Ti-2.5Cu合金的加工硬化因子，MPa；ε为变形量。式中前3项为自由时效时的强度模型，文献[13]已经对各个参数进行了详细计算。

考虑到时效过程中的回复情况，其中部分位错发生回复，因此材料中残留的变形量可以根据式(3)获得[20]。

(3)

式中:ε0为施加的初始变形量，是常数。对于Ti-2.5Cu合金二次时效处理来说，ε0为1.5[19]。

为验证本研究推导的不同预应变量Ti-2.5Cu合金时效后的强度计算模型，研究了0.05、0.1、0.15、0.2 4种变形量的Ti-2.5Cu合金经过二次时效工艺处理后Ti2Cu粒子析出情况，测试了合金屈服强度。通过TEM观测，将经过4种预应变处理并进行二次时效后的Ti2Cu粒子析出情况总结在表1中。将表1参数代入推导的强化模型公式(2)，计算得到相应的强度值。

表1预应变+二次时效后Ti-2.5Cu合金中析出的Ti2Cu粒子形状参数及体积分数

Table 1 Shape parameters and volume fraction of precipitation phase Ti2Cu particals with prestrain and second aging

图5为不同预应变变形后，经过二次时效处理的Ti-2.5Cu合金的强度计算值及实验值对比曲线。由图5可以看出，计算值与实验值基本吻合。

图5 预应变+二次时效处理后Ti-2.5Cu合金的强度计算值及实验值对比图Fig.5 Calculated and experimental yield strengths of Ti-2.5Cu alloy after different prestrain and second aging

上述结果表明，在Ti-2.5Cu合金预应变时效处理工艺中，除了时效强化外，还应考虑变形回复对合金强度的降低效应，这样才能符合实际的强度水平。

2.3 预应变时效后的低周疲劳性能

钛合金用作结构材料时，经常承受交变载荷的作用，因此研究其疲劳性能对于其服役安全性有着重要的意义。在此，对预应变0.1且分别经一次和二次时效后Ti-2.5Cu合金的低周疲劳性能进行了研究。

图6给出了2种时效工艺下Ti-2.5Cu合金低周疲劳的循环峰值应力曲线。由图6可以看出，一次时效与二次时效试样的循环应力响应规律相似，均呈现出循环软化的特点，总应变幅越高该现象越明显。需要注意的是，二次时效后，在1%总应变幅下，出现了先循环硬化后软化的现象，其原因可能是由于合金二次时效在较高的温度下进行，较一次时效有了更大的回复，在疲劳过程中产生明显的硬化，而一次时效残留的冷变形组织较多，因而疲劳过程中表现为循环软化。进一步对低周疲劳结果进行分析发现，一次时效和二次时效Ti-2.5Cu合金的总应变幅与疲劳寿命近似的符合Coffin-Manson关系，分别见式(4)、式(5)。

εt/2=0.059(2Nf)-0.233 9

(4)

εt/2=0.063(2Nf)-0.235 6

(5)

图6 一次时效和二次时效Ti-2.5Cu合金不同总应变幅下的循环峰值应力曲线Fig.6 Curves of cyclic stress amplitude with cycles at different total strain amplitudes of Ti-2.5Cu alloy after different aging: (a)after first aging； (b)after second aging

图7为Ti-2.5Cu合金经不同时效后的低周疲劳应变幅-疲劳寿命曲线。由图7可以看出，在总应变幅1%～2%之间，Ti-2.5Cu合金二次时效相比一次时效具有更高的疲劳寿命，但二者疲劳寿命总体相差不大。从前面的分析可知，预应变0.10的Ti-2.5Cu合金，其二次时效强度高于一次时效，而二者延伸率相差不大，因此二次时效Ti-2.5Cu合金具有相对较高的韧性，在疲劳裂纹萌生后，裂纹尖端会发生塑性变形形成塑性区进而吸收变形能，引起裂纹的钝化，延缓裂纹的扩展，从而表现出相对较高的疲劳寿命。

图7 Ti-2.5Cu合金的低周疲劳应变幅-疲劳寿命曲线Fig.7 Curves of fatigue life with low cycle fatigue strain amplitudes of Ti-2.5Cu alloy

图8为预应变0.1的Ti-2.5Cu合金经过时效后，在Δεt/2=1%循环应变幅下的疲劳断口形貌，其中图8a、c为裂纹起始区，图8b、d为裂纹扩展区。从图8a、c可以看出，疲劳裂纹均从试样表面产生，同时在表面附近有多个裂纹源。在图8b、d所示裂纹稳态扩展区观察到了典型的代表疲劳变形行为的疲劳条纹。上述结果表明，Ti-2.5Cu合金的疲劳裂纹以穿晶方式扩展。

图8 Ti-2.5Cu合金经不同时效后在总应变幅Δεt/2=1%下的疲劳断口形貌Fig.8 Fatigue fracture morphologies of crack initiation(a，c) and propagation areas(b，d) under Δεt/2=1% of Ti-2.5Cu alloy:(a，b)after first aging；(c，d)after second aging

3 结 论

(1)经过预应变及后续的一次时效和二次时效处理后，Ti-2.5Cu合金未发生再结晶，且二次时效合金中析出的Ti2Cu粒子尺寸较一次时效的大。

(2)一次时效后，Ti-2.5Cu合金的强度随预应变量的增加而升高，而二次时效后合金强度先随预应变量的增加而增加，当预应变量超过0.15后，合金强度相比0.1预应变的试样有所降低，与此同时，2种时效工艺处理后的延伸率均保持在较高的水平。

(3)在考虑应变回复的基础上，建立了Ti-2.5Cu合金预应变时效的强度预测模型，其理论预测值与实验结果相吻合。

(4)Ti-2.5Cu合金一次时效和二次时效的疲劳寿命相当，都表现为循环软化，疲劳总应变幅和疲劳寿命符合Coffin-Manson关系。Ti-2.5Cu合金疲劳裂纹稳定扩展区有明显的疲劳条纹，疲劳裂纹以穿晶方式扩展。