梯度纳米亚稳β钛合金的形成机理及变形与强韧化机制研究

Titanium and its alloys with relatively low density are an important class of engineering structural materials widely used in aerospace, nuclear and other fields due to their high specific strength and high corrosion resistance. However, with the development of new technology and equipment in the whole world, titanium alloys with good combination of strength and ductility are increasingly demanded as structural materials. In this project, we adopt sliding friction treatment (SFT) technology developed by ourselves and take β-metastable titanium alloys with twinning-induced plasticity (TWIP) and transformation-induced plasticity (TRIP) effects as mediums to architect gradient nanostructured β-metastable titanium alloys. The mechanical properties of the alloys can be controlled by altering processing and structural parameters, achieving a relatively good combination of strength and ductility by taking full advantage of synergetic strengthening effect of gradient nanostructure. The microstructural evolution subjected to the SFT including nanostructured mechanisms and TWIP/TRIP accommodated deformation mechanisms will be studied. Moreover, by investigating the thermal stability of gradient nanostructure and deformation behavior, the relationship between microstructural parameters and mechanical parameters can be clarified, revealing the correlative strengthening and toughening mechanisms. This work not only provides a certain experimental base and theoretical foundation for plastic strain-induced grain refinement mechanism and gradient nanostructured mechanical behavior of alloys with TWIP/TRIP effects, but also plays important roles in promoting the fundamental research of high performance titanium alloys and the industrial applications of nanocrystallization technology.

钛及其合金具有密度低、比强度高、抗腐蚀性能好等优点，广泛应用于航空航天、核能等领域。随着社会的发展，对钛合金的强塑性提出了更高的要求以满足新技术、新装备等对材料的需求。本项目拟采用本课题组自主研发的滑动摩擦技术，以具有孪生诱发塑性(TWIP)和相变诱发塑性(TRIP)的亚稳β钛合金为研究载体，构建梯度纳米结构，并通过工艺参数、结构参数对其力学性能进行调控，充分利用梯度纳米结构协同作用，实现良好的强塑性匹配。研究滑动摩擦技术诱导的微观结构演变过程包括纳米晶的形成机理及TWIP/TRIP效应协调变形机制，研究梯度纳米结构热稳定性及变形行为，阐明微观结构参量和力学参量的对应关系及其强韧化机制。此项工作不仅可以为塑性变形诱导具有TWIP/TRIP效应合金的晶粒细化机制及其梯度纳米结构的力学行为研究提供一定的实验基础与理论依据，而且对高性能钛合金基础研究的推动及纳米化技术的工业应用都具有重要意义。

钛及其合金具有密度低、比强度高、抗腐蚀性能好等优点，广泛应用于航空航天、核能等领域。随着社会的发展，对钛合金的强塑性提出了更高的要求以满足新技术、新装备等对材料的需求。具有孪生诱发塑性（TWIP）和相变诱发塑性（TRIP）效应的亚稳β钛合金由于其优秀的综合力学性能而受到广泛关注；而梯度纳米结构通过表层纳米晶的细晶强化和粗晶对纳米晶中局域应变产生的剪切及裂纹的抑制作用，可实现金属材料力学性能改善。项目以Ti-Cr-Sn、Ti-Cr-Mo-Sn亚稳β钛合金为研究对象，通过滑动摩擦处理技术成功制备出梯度纳米结构亚稳β钛合金，并通过对组织结构梯度、力学性能梯度以及硬化效率进行研究实现滑动摩擦处理工艺参数优化，并对应变梯度与应变速率梯度进行了拟合。研究了梯度纳米结构亚稳β钛合金组织形成机理，并深入分析了TWIP/TRIP效应在晶粒细化过程中的作用机制，主要由{112}<110>位错滑移与{332}<113>、{112}<111>孪生的孪晶界以及应力诱发α”相变的相界之间产生交互作用，随应变量增加交互作用增强，位错界面不断演化并通过动态再结晶形成表面纳米晶。研究了梯度纳米结构亚稳β钛合金的组织结构热稳定性，包括储存能、晶粒尺寸热稳定性、相热稳定性，发现相对于Ti-Cr-Mo-Sn的储存能与激活能关系，即相对较高的储存能和相对较低的激活能，梯度纳米结构Ti-Cr-Sn亚稳β钛合金的热稳定性更好。通过静态拉伸和加卸载试验并结合其形变微结构分析，系统研究了梯度纳米结构亚稳β钛合金的力学行为并阐明强韧化机制包括细晶强化、应变硬化以及协同强化机制。此项工作不仅可以为塑性变形诱导具有TWIP/TRIP效应合金的晶粒细化机制及其梯度纳米结构的力学行为研究提供一定的实验基础与理论依据，而且对高性能钛合金基础研究的推动及纳米化技术的工业应用都具有重要意义。依托项目发表论文5篇，培养硕士研究生3人。