加拿大工程院院士陳道倫&同濟馮艾寒教授Acta Mater.：鈦的動態再結晶——低溫下預活化孿晶的作用

【引言】

在密排六方結構金屬中，孿晶是其主要的變形模式，對塑形變形起至關重要的作用。除了協調塑性變形，孿晶可以（i）通過晶格重新定向改善織構，（ii）通過增加孿晶界（TBS）來產生Hall Petch硬化效應和（iii）誘導動態再結晶（DRX）。本文著重研究了商用純鈦中通過孿晶誘導動態再結晶（DRX）方法，觀察組織變化。

【成果簡介】

近日，加拿大工程院院士、瑞爾森大學陳道倫教授（通訊作者）、馮艾寒副教授（通訊作者）等團隊合作在Acta Materialia上發表題為“Dynamic recrystallization of titanium: Effect of pre-activated twinning at cryogenic temperature”的文章。文章提出了一種活化孿晶的新方法：在低溫條件下，采用預冷變形工藝對純鈦進行高密度孿晶變形，隨后采用熱變形誘發動態再結晶。這種方法為在結晶提供更多位點及應變儲能，能夠更有效地細化微觀結構。

【圖文導讀】

圖1.初始軋制的工業純鈦板的EBSD圖

a. 沿法向的反極圖。

b.晶界尺寸大小分布圖，其中大于15?C晶粒取向誤差指高角度晶界。

c.?{0001}極圖，表現出典型雙峰織構，從法向到橫向衍射峰強度在大約±35?時減弱。

圖2.鈦板變形過程示意圖

如上圖所示， 第一步對圓柱形S_C試樣冷壓縮加工,加工方向沿平行于初始板的法向方向的圓柱軸方向，并將其浸入液態氮氣浴中, 并按應變率0.01 s^-1壓縮至真應變0.25；隨后將冷變形試樣加工成圓柱試樣S_H進行第二步-熱壓縮，以不同真應變0.2、0.5、0.8和1.0下對其壓縮（溫度：500?C，應變率：0.01 s^-1）。

圖3.真應力-應變曲線圖

a. 應變率0.01 s^-1下S_C試樣冷壓縮至真應變0.25的應力-應變曲線。

b.?應變率0.01 s^-1下S_H試樣在500?C下熱壓縮至真應變1.0的應力-應變曲線。

圖4. 低溫下預冷壓縮試樣微觀形貌圖

上圖是在應變率0.01 s^-1下至真應變0.25的預冷壓縮試樣微觀形貌。

a.?OM顯示出少量孿晶區和多孿晶區。

b.?少量孿晶區的IPF圖譜。

c.?多孿晶區的IPF圖譜。

d.?圖b和圖c中A, B和C典型晶粒及它們對應的極圖，極圖中有序六角棱柱表示方向，并在相應的孿晶變量附近給出了孿晶變量的施密德因子。

e.?圖b和圖c中孿晶晶粒（晶粒A-O）的反極圖。

f.?非孿晶晶粒（晶粒P-Q）的反極圖。

g.{102}晶面孿晶透射電鏡圖。

h.?圖g中白圈處的SAED衍射花樣。

i.?圖g中白圈處的HRTEM圖，從中可看出 {102} 孿晶界處原子結構。

圖5. 熱變形后試樣OM圖

在500?C、應變率為0.01 s^-1下，圖a、b、c、d表示真應變為0.2、0.5、0.8和1.0下預冷變形試樣熱壓縮后的OM圖。

圖6. EBSD反極圖

在500?C、應變率為0.01 s^-1下，圖a、b、c、d表示真應變為0.2、0.5、0.8和1.0下預冷變形試樣熱壓縮后的EBSD反極圖，圖中典型區域A、B、C和D的放大圖見圖10，圖e為圖d中的放大白色矩形區域。

圖7.500?C下真應變與孿晶界占總晶界分數關系圖

圖8. 晶粒取向傳播圖

在500?C、應變率為0.01 s^-1下，圖a、b、c、d表示真應變為0.2、0.5、0.8和1.0下預冷變形試樣熱壓縮后的晶粒取向傳播圖。

圖9. 動態再結晶晶粒EBSD反極圖

在500?C、應變率為0.01 s^-1下，圖a、b、c、d表示真應變為0.2、0.5、0.8和1.0下預冷變形試樣熱壓縮后動態再結晶晶粒的EBSD反極圖。

圖10. 圖6中a圖典型區域放大圖

圖11.應變輪廓圖

在應變率為0.01S^-1至真應變0.25下，低溫預壓縮試樣的應變輪廓

圖12.DRX工藝示意圖

a. 最初鈦的等軸晶粒。

b.?低溫下經冷變形后的預活化孿晶， 紅色表示{102}孿晶，綠色表示 {112} 孿晶，藍色表示{111}孿晶及灰色表示滑移的{ 111} 孿晶。

圖c到圖d是上述4種孿晶動態再結晶活躍階段，孿晶晶粒動態再結晶機制就是在 {112}、{102}交叉孿晶，孿晶動態再結晶在{112}、{ 111} 和{102}孿晶面內，不連續動態再結晶發生在滑移的{ 111} 孿晶晶界處；圖e到圖f動態再結晶機制為不連續動態再結晶，還存在一些非孿晶晶粒開始動態再結晶。

圖13. IGMA圖

上圖是圖4b圖中晶粒P和Q晶粒內錯位取向分布(IGMA)圖。

a.?晶粒P和Q的EBSD反極圖，六棱柱表示它們方向。

b.?晶粒P和Q的典型取向和IGMA分布。

圖14. 純鈦的變形模式和相應的泰勒軸。

圖15. 核內平均錯向KAM圖。

圖a和圖b是應變輪廓圖，圖c和圖d 是圖10中區域A和B的KAM圖。

【小結】

低溫變形時，主要存在三種孿晶類型：壓縮孿晶{112}，拉伸孿晶{111}和{102}。只有施密特因子m?≥0.4的孿晶體系能被激活。由于后續孿晶和滑移作用，會出現滑動的{111}孿晶，該方法下主要的組織演變是孿晶片的球化；熱變形下動態再結晶可分為兩階段：孿晶動態再結晶活化階段和不連續動態再結晶階段；在孿晶界和孿晶內部的應變集中會產生位錯-孿晶相互作用，位錯在兩者間堆積作用甚至會將孿晶界轉變為高角度晶界，帶來足夠的應變能和優先形核質點。本文對DRX理論和晶粒細化等研究帶來重要影響。

文獻鏈接：Dynamic recrystallization of titanium: Effect of pre-activated twinning at cryogenic temperature(Acta Mater.,2018, DOI: 10.1016/j.actamat.2018.05.057)

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