Page 18 - 理化检验-物理分册2023年第十期

刘佳文, 等: 多层梯度超细晶粒钛的变形机制

中层状结构和残余应力的研究, 以及在传统粗晶粒
金属中实现梯度结构的研究比较广泛 [ 7 ] , 但对 UFG
或 NG 金属中的多层梯度化和表面残余应力增韧机
制的研究较少。
受鱼鳞结构设计原理的启发 [ 8 ] , 笔者将冷轧和
表面机械磨损处理( SMAT ) 应用于商业纯钛中, 并
制备多层梯度化结构( MHS )。多层梯度化结构 Ti

( 以下简称 MHSTi ) 由3个不同层组成。从外表面
向中心分别是非晶纳米晶混合( A / NC ) 层、 NG 层和 图1 多层梯度钛的生产工艺流程示意
UFG 核。此外, 多层梯度化结构 Ti的各结构层内 后, 采用纳米压痕系统和金刚石探针进行纳米压痕试

部和结构层之间的性能变化是逐渐过渡的, 硬度由 验 [ 12 ] , 应变速率为5×10 s , 最大载荷为20mN ,
-2
-1
外层向内层递减。多层梯度化结构 Ti 在压缩试验 纳米压痕硬度和模量取10次测量的平均值。
中表现出较高的强度和明显的加工硬化性能。笔者 使用扫描电镜( SEM )、 透射电镜对试样进行观

利用透射电镜( TEM ) 对多层梯度化结构 Ti 材料的 察。在表面深度为20 , 60 , 500 μ m 的区域截取透射
变形机制进行了详细研究, 旨在揭示其在不同程度 电镜试样, 然后将透射电镜试样研磨至厚度约为

应变下, 各层和层间区域的形变机制。这些基础研 40 μ m , 最后在 GatanPIPS系统中对试样进行低能
究将为开发高强度和优良加工硬化能力的 UFG 材 离子抛光和穿孔。
料提供有价值的理论依据。
2 试验结果
1 试验过程 2.1 力学性能

将平均晶粒尺寸约为 60 μ m 的 2 级钛板的厚 冷轧和 SMAT 产生的从外表面到内心的应变

度从 36 mm 低 温 轧 制 至 5 mm , 每 次 轧 制 量 约 和应变速率梯度与其他沉积或涂层产生的多层体系

2mm 。在每 道 轧 制 之 前, 将 钛 板 浸 入 液 氮 中 不同, 制备的 MHSTi没有层间弹性失配和分层,
[ 9 ]

15min , 以降低温度。使用热电偶分别测量工件轧 这是控制裂纹的两个关键因素。相比之下, MHS

[ 10-11 ] Ti 的力学性能在各层内和层间呈逐渐变化的趋势。
制前后的温度, 其温度为 -170 ℃ 和 -90 ℃ 。

最大载荷为20mN 时, MHSTi 横截面平均纳米压

在冷轧过程中, 沿轧制工件厚度分布的剪切应力将
痕硬度和模量变化趋势如图2所示, 纳米压痕硬度
极大地影响晶粒细化, 使晶粒尺寸在轧制工件的厚

和模量由外层向内层递减, 与 MHSTi 的微观结构
度上呈梯度分布。在后续表面机械研磨处理过程
中, 这种晶粒梯度效应将被进一步强化。冷轧后, 工 特征相对应。

件内 部 由 等 轴 晶 粒 组 成, 晶 粒 尺 寸 为 50nm~

250nm ( 直径, 下同)。将工件平行于轧制方向切割

成尺寸为5mm×5mm×90mm ( 长 × 宽 × 高) 的

试样。随后在试样的4个侧面依次进行表面机械研
磨处理。在低真空中对试样进行表面研磨处理, 使
用硬化不锈钢球( 直径为 8mm ), 每侧振动频率为

50Hz , 持续 60min 。为避免机械研磨导致试样表

面温度升高, 每运行 10min , 停留 15min 。图 1 为

多层梯度钛的生产工艺流程。 图2 MHSTi 横截面平均纳米压痕硬度和弹性模量变化趋势
室温下利用力学性能测试机对试样进行压缩试 压缩试验结果表明, MHS 结构对改善加工硬
验, 将尺寸为5mm×5mm×10mm ( 长×宽×高) 的 化有明显的效果, 多层梯度超细晶粒钛和均匀超细

MHSTi 和超细晶粒 Ti ( 以下简称 UFGTi ) 矩形试样 晶粒钛的工程应力 - 应变曲线如图3所示。 UFGTi
屈服强度显著提高, 屈服后经过塑性变形, 表面接近
分别沿轧制方向进行压缩试验, 应变速率为 5×

-4 -1 平坦, 加工硬化性能较弱, 这与 UFG 金属典型的压
10 s 。将 MHSTi 的横截面厚度抛光至0.5 μ m
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