前言

钛合金，如Ti60、Ti75和TC4，因其高比强度、优异的冲击性能以及强大的耐海水腐蚀性而被广泛应用于海洋工程。海洋工程中使用的结构部件经常受到冰山、海浪和珊瑚礁的瞬态动态冲击，这可能导致材料损坏并可能导致严重灾难。在这种情况下，冲击韧性，即冲击载荷下的抗开裂性，成为船舶结构构件安全服役的极其重要的指标。目前，提高钛合金冲击韧性的方法主要包括合金成分设计和显微组织调控。

合金成分对位错运动有显著影响，进而影响合金的强度和韧性。例如，α稳态元素O能够显著增加hcp结构中位错活化的临界剪应力，从而增强强度，同时降低塑性和韧性。添加β稳定元素可以降低α-Ti基底和棱柱滑移的堆叠故障能，进一步提高韧性。

Ti80（Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo）是一种近α钛合金，专为海洋工程设计，具有韧性、强度和耐腐蚀性等优异的结合。由于近α钛合金的独特特性，多尺度α相组合（如全等轴αp、等轴αp+ 薄片α的菌落分布l，以及等轴αp+ 薄片分布紊乱αl）可以通过适当的热处理来定制，以达到强度和塑性的匹配。此外，这些典型的微观结构对拉伸性能及其变形机理的影响已经被研究和报道。与拉伸试验相比，冲击实验的应变率远高于其，导致变形机理存在显著差异。然而，目前还缺乏对这些微观结构对冲击性能及其变形机理的影响的系统和深入研究。特别是等轴α所扮演的角色p和层状αl在β中具有不同的分布t裂纹扩展中的（菌落分布/无序分布）有待进一步揭示。

因此，本工作选择Ti80合金作为研究对象，通过适当的热处理工艺定制了三种显微组织。本研究的目的是调查等轴α的影响p内容和大小，以及薄片αl冲击特性的厚度和分布模式。进一步，系统地表征了微观结构和变形特征，揭示了不同微观结构在高速冲击下的变形机理。这些发现可能为提高Ti80和其他近α钛合金的冲击韧性提供微观组织优化策略。

本研究成果“Research on the related between microstructures and impact toughness of Ti80 alloy”发表于期刊“Journal of Materials Research and Technology”。

论文链接:

https:///10.1016/j.jmrt.2025.01.078

 正文

JMR&T Ti80合金显微组织与冲击韧性的关系研究
图1显示了三个热处理样品的SEM和TEM图像。有限元样品表现出完全等轴αp结构，而ECL和EDL样品均显示双峰结构，等轴αp+ βt.等轴α的含量和平均直径p在有限元试样中，体积分别为95.2 ± 0.43 vol%和12.04 ± 0.58 μm，高于ECL（23.9 ± 1.23 vol%，9.41 ± 0.64 μm）和EDL试样（14.2 ± 0.35 vol%，8.64 ± 0.47 μm）。值得注意的是，层状分布模式αl在β矩阵内，ECL 和 EDL 试样之间存在显着差异。在ECL样品中，层状αl以菌落形式存在，称为菌落αl.相比之下，EDL试样表现出层状α分布无序l在β矩阵内。此外，α的平均厚度lECL样品中为0.78 ± 0.21 μm，比EDL样品（0.35 ± 0.18 μm）厚。

图1.（a1）和（a2）FE的SEM和TEM图像;（b1）和（b2）ECL;（c1） 和 （c2） EDL。

图2a1和a2显示了3种热处理试样的拉伸性能。EDL试样的极限抗拉强度（UTS）最高，约为984 MPa，超过了FE（约800 MPa）和ECL（约880 MPa）试样。相反，与ECL（∼12.6%）和EDL（∼10.1%）试样相比，有限元样品显示出最高的伸长率（EL），约为14.5%。3个热处理样品的冲击载荷-位移曲线如图3b1所示。总冲击吸收能（Wt）是通过计算荷载-位移曲线下的积分面积来确定的。在测试的样品中，FE和ECL样品表现出极高的冲击吸收能，分别达到103.06 J和86.63 J，远高于EDL样品（50.98 J）。拉伸和冲击性能的比较表明，ECL 样品表现出出色的强度和韧性匹配。

图2.3个热处理试样的拉伸和冲击试验结果。（a1）拉伸的工程应力-应变曲线;（a2）拉伸性能;（b1）冲击的载荷-位移曲线;（b2）冲击吸收能和冲击韧性。

为了深入研究FE、ECL和EDL试样在裂纹扩展过程中冲击变形和机理断裂机理的差异，采用EBSD对裂缝附近的微观结构进行了研究，结果如图3所示。反极点图（IPF） 中的颜色表示样品α相坐标系的晶体学取向。值得注意的是，如图3b所示，IPF和FSD图的比较表明，平行的层状αl在一个αl菌落对 ECL 样品表现出相同的颜色（标记为黑框），表明晶体学取向相同。因此，这些平行的层状αl在一个αl群体，可以看作是统一的，也可以看作是α的阶段。相反，在EDL样品中，层状α的分布纵横交错且无序lβ以内t 呈现不同的晶体学取向（在图3c中标记为黑框）。这表明单个薄片αl是α相，与α明显不同l殖民地。图3a1、b1和c1显示了3个热处理样品撞击后的核平均误取向图（KAM）和平均KAM值，其中EDL样品在α内表现出KAM的不均匀分布p颗粒表现出低 KAM 值。而高 KAM 值主要集中在 α 的晶界p以及βt区域，表明位错堵塞优先发生在这些区域，导致局部应力集中。相比之下，断裂面下方的区域在FE和ECL试样中表现出更均匀的KAM分布（图3a1和b1）。此外，EDL、ECL和FE试样的平均KAM值分别为1.47、1.84和2.00，表明协调变形能力逐渐提高。

图3.对所有撞击样品的裂缝表面下方区域的截面EBSD观测。（a） FE、（b） ECL 和 （c） EDL 的 IPF;（a1） FE、（b1） ECL 和 （c1） EDL 的 KAM 映射。

文章亮点

1

分析Ti80三个热处理样品的SEM和TEM图像，确定了热处理对样品显微组织的影响。

2

分析Ti80的3种热处理试样的拉伸性能图像，确定了热处理对于样品拉伸性能的影响。

3

分析Ti80裂缝附近的微观结构的EBSD图像，进一步热处理试样的断裂机理的差异

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