α型钛合金变形引起的三级应变硬化的研究

（南京理工大学，江苏 南京 210000）

本文包含α钛变形引起的应变硬化的研究。相关讨论和分析建立在对于由SALEM等人研究[1]基础之上。

近年来, 由于变形引起的α钛的应变硬化机理得到了广泛的讨论。根据 Degarmo[2], 应变硬化是由金属的塑性变形所引起的强化现象。在这种情况下, 当α-钛的应力超过其弹性极限时, 将发生两种可能的永久性变形: 滑移和孪晶。

1 三级应变硬化和三种应变机制

在室温情况下的压缩试验中, 高纯度α-钛的应变硬化有着截然不同的三个阶段, 它在Salem等人[3]所做的实验中得到了记录。A 阶段的特征是由于动态恢复而导致的应变硬化率下降。B 阶段的特征是由于孪晶变形所引起的应变硬化速率的增加。而在高应力下则可看到应变硬化率下降的C阶段。

（1）Hall-Petch 效应

为了讨论Hall-Petch 效应, 作者在室温下对两种不同晶粒尺寸的样品进行了单轴向厚度压缩试验, 并利用Hall-Petch硬化方程, 将其与 Hollomon方程相结合, 进行应力和塑性应变计算。

（2）Basinski 机制

根据 Basinski机制, 强度/硬度的逐渐增加是由于在孪晶变形中晶体位移方式的变化。在研究了材料在应变后孪晶矩阵部分的显微硬度变化后，作者通过进行的显微硬度压痕实验得出应变矩阵区域的硬度比没有应变的矩阵部分高。

（3）纹理变化所引起的软化效应

在检查了纯钛在室温单轴压缩过程中的纹理演化后,发现在少量塑性变形后, 在极端的外围出现新的纹理组成部分, 该纹理组成部分随应变的增加而增大。

2 实验机制讨论

为了解释孪晶形变引起的应变硬化，本文将讨论两种硬化机制, 即Hall-Petch效应和 Basinski 硬化机制。Hall–Petch 效应定义是通过改变其平均晶粒尺寸来增强材料的方法。根据Hansen[4]减少晶粒大小将导致材料变得更加强硬。

论文[1]选择高纯度α钛，为了确定室温下的力学行为,在恒定应变率下进行了单轴向厚度应变压缩试验。然后得到样品平均粒度和屈服强度。再将实验数据带入 Hall–Petch方程, 之后便可得到 ky(强化系数)。

在B阶段，为了定量的将实测的应力应变和基于Hall-Petch方程的理论计算值相比较。假设在 A 阶段, α-钛只经历了滑移变形，则 Hollomon 的理论应力-应变可以用来表达在阶段 A的实际曲线。

根据Bowen和Partridge[5], Hollomon 的等式显示出了一种应力和塑性应变之间的关联。另外根据Salem等人的实验数据[1], 可画出一条相对应的外推曲线。再将Hall-Petch硬化方程与此相结合，从而得到理论有效晶粒尺寸的方程式。然后根据所得到的应力数据计算出有效晶粒尺寸, 并与以往计算所得到的ky相结合。将数据代入原始Hall-Petch硬化方程。

比较这两种不同的结果, 根据应力应变试验数据计算出的有效晶粒尺寸比根据Hall-Petch硬化模型和Hollomon 应力模型计算出的粒径要小得多。

这一比较证明了Hall-Petch和 Hollomon 模式的不足。

因此可以假设还有一个额外的机制, 导致材料的变形软化，即纹理变化所引起的软化效应。

此外，从 Nemat等人的报告中[6], 在B阶段，α-钛异常增加的应变硬化率也被发现并进行了讨论。在其实验基础上，应变硬化率与真实应变之间的关系能够被建立起来，测试样本在77K 和798K 没有明确的应变硬化率增加的B 阶段, 应变硬化率变化的三阶段并不发生在极端低温或高温。

与论文[1]比较, Nemat等人[6]使用了一个复杂的模型来设法将模型数据与实验数据相拟合。由于目前还没有能充分描述HCP金属所有变形机制的理论模型。Nemat等人 [6]使用一个由Isaacs[7]和 Li[8]为 BCC和FCC金属开发的物理模型。通过此模型发现在低温77K 和高温798K 时, 理论模型的曲线结果与实验数据吻合较好。然而，在室温和相对较高的温度598K下，模型曲线并不能与实验数据较好的吻合。

3 结论

本文讨论了α钛的三阶段应变硬化现象, 并通过基本的原理的分析，在这份报告中, 通过基本的原理的分析，对所有的三种机制 (Hall–Petch 效应, Basinski 机制和由于纹理变化造成的软化现象) 都进行了相应的讨论和详细的解释。并在本报告中分析了用于研究这些机制的相关实验。本报告的主要发现：

（1）在室温下, Hollomon 塑性变形方程可用于预测α-钛在 A 阶段的应力-应变曲线。

（2）温度对α钛的三级应变硬化有很大的影响。在低温或高温的条件下, 三级应变硬化现象并不发生。

（3）可以进行进一步的试验, 来定量地研究α钛变形中的 Basinski 机制。

（4）需要进一步的实验来定量地研究不同应变和温度下的纹理变化现象。

[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.