（材料学专业论文）β凝固高cr铸造tial基合金显微组织及力学性能研究.pdf

摘要 p 凝固高c r 铸造t iai 基合金显微组织 及力学性能研究 摘要 在金属间化合物结构材料当中，t i a l 基合金由于其具有密度低，高温强度好， 以及良好的抗蠕变和抗氧化等优良特性，越来越受到工业界，特别是航空和汽车领 域的关注。 在研究和应用的过程中，由于这种材料的室温塑性较低，由此而带来的较差的 加工性能，越来越多的研究者把关注的目光投向这种材料的近净型成形技术上来， 其中精密铸造和超塑性成型是两种广泛应用的工艺。而这两种工艺来都面临着一个 相同的问题：通过传统工艺和成分制备的合金铸锭都是通过a 凝固而来，铸态组织十 分粗大。对于性能对组织极为敏感的t i 砧基合金而言，这种组织显然不能满足工程 铸件和超塑性材料的要求。而为了达到转化组织的目的，传统的方法通常采用热机 械处理工艺如挤压或锻造，这就带来了复杂的工艺和高昂的成本。 本文针对上面提到的传统q 凝固合金的局限性，提出通过合金化控制合金凝固路 线的思路，在高w ，高n b 和高c r 等不同合金系列中实现了凝固路线从a 凝固到p 凝 固的转移，从而获得了细化的铸态组织( 2 0 - 8 0 1 m a ) ，为组织调控和力学性能的改善 提供了新途径。 研究发现在不同系列的t i a l 基合金中导致合金凝固路线改变的两个主要因素是 a l 和合令元素的含量。对于不同系列的合金，由于不同合金元素对p 相稳定能力的 可司，而导致影响凝固路线的能力也有所不同，从而不同系列合金实现d 凝固所要求 的a l 含量和合会元素含量也不相同。在高w ( 2 ) 和高n b ( 5 - 7 ) 合金中，合 会凝固路线的改变主要是由于合金中a l 含量的降低所引起的。当触含量 4 5 时， 合会凝固遵循a 凝固路线。而a l 含量为4 4 时，合金凝固遵循d 凝固路线。而在高 c r 合会中，合金元素c r 对凝固路线会产生重要的影响。当趾含量为4 6 时，提高 合金元素c r 的含量到6 - - 8 会导致凝固路线由a 向p 凝固转变。在不同的合金系列 中，凝固路线改变所遵循的共同原则是合金在凝固初期b 作为初生相能大量均匀形 核，从而破坏柱状晶的形成和发展。 由p 凝固所得到的细小的铸态组织与以往0 c 凝固合金明显不同：均匀细小( 2 0 - - 8 0 p m ) ，这是因为p 相在长大过程中有三个等同的方向( 0 0 1 ， 0 1 0 】， 1 0 0 】) ，而且仪 相可以从p 相中六个等同的晶面析出( ( 1 1 0 ) ，( 1 1 0 ) ，( 1 0 1 ) ，( 1 0 1 ) ( o l1 ) ，( 0 1 1 ) ) 此外，由于b 稳定元素的作用，能使部分凝固初期形成的d 相保留到室温，这进一步 抑制了a 晶粒在高温区的长大。 通过针对性地对d 凝固高c r 合金化t i a i 基合金的研究发现，这一合金突出的性 能是在铸态就具有良好的超塑性性能。在8 5 0 0 ，l 1 0 4s 变形条件下，延伸率达到 6 2 8 。与其他超塑性t i 触基合金相比具有优良的超塑性变形指标，并且与以往获得 超塑性t i a i 基合金材料所必须的热机械加工工艺如挤压或锻造而言，大为简化。它 具有良好超塑性的原因归结于两点：铸态组织细小均匀，为晶界滑动提供了前提条 件：组织中大量的p 相在变形过程产生有序无序转变和p 叫相变来协调晶界滑动，使 之能顺利进行。 进一步通过对合金成分对高c r 铸造n a l 基合金超塑性变形影响的研究发现，添 加微量元素w ( 0 5 ) ，降低c r 含量( 8 _ 6 ) ，提高趾含量( 4 4 寸4 6 ) ， 都会有损于超塑性变形能力，这是因为这样的成分改变都降低了合金中的p 相含量， 使晶粒尺寸变大。 而对于6 凝固高c r 铸造t i a i 基合金的拉伸强度而言，铸态材料的室温强度达到 6 4 0 m p a ，高于传统铸造合金( 4 5 ，t h es o l i d i f i c a t i o nr o u t ef o l l o w e di x s o l i d i f i c a t i o n ；w h e nt h ea il e v e ld e c r e a s e dt ob e4 4 ，ps o l i d i f i c a t i o nw a sa c h i e v e d b u t f o rh i 曲c rt i a ia l l o y s ，t h ea l l o y i n ge l e m e n to fc rp l a y e da l li m p o r t a n tr o l ef o rt h ec h a n g e o fs o l i d i f i c a t i o nr o u t e w i t ha na il e v e lo f4 6 ，i n c r e a s i n gt h ea m o u n to fc rt o6 - 8 r e s u l t e di nt h ec h a n g eo fs o l i d i f i c a t i o nr o u t ef r o m0 ct op g e n e r a l l ys p e a k i n g ，f o rd i f f e r e n t s e r i a l so ft i a la l l o y s ，t h ec o m m o np r i n c i p l et h a tm u s tb eo b e y e df o rps o l i d i f i c a t i o ni st h a t t h eh o m o g e n o u sn u c l e a t i o no fpa sap r i m a r yp h a s et op r e v e n tt h ef o r m a t i o no fc o l u m n a r ag r a i n ss h o u l dt a k ep l a c ed u r i n gt h ei n i t i a ls t a g eo fs o l i d i f i c a t i o n t h em i c r o s t r u c t u r eo b t a i n e dt h r o u g hps o l i d i f i c a t i o nw a sc h a r a c t e r i z e di nt h i ss t u d y t h em i c r o s t r u c t u r ei sf i n ea n dh o m o g e n o u s ( 2 0 - 8 0m 1 1 ) ，w h i c hr e s u l t sf r o mt h ef a c tt h a t t h e r ea r et h r e ee q u i v a l e n tg r o w i n gd i r e c t i o n sf o rpn u c l e u s ( o o l 】，【0 1 0 ，【t o o ) a n ds i x e q u i v a l e n th a b i tp l a n e s ( ( ito ) ，( u 0 ) ，( 1 0 1 ) ，( 1 0 1 ) 。( 0 11 ) ，( 0 1 1 ) ) w h e nap r e c i p i t a t e s i np d u et ot h ee f f e c to fps t a b i l i z e r , s o m edp h a s ef o r m e dd u r i n gt h ei n i t i a ls t a g eo f s o l i d i f i c a t i o nr e t a i n e dt or o o mt e m p e r a t u r e ，w h i c hf u r t h e rl i m i t e dt h eg r o w t ho fi xg r a i n sa t h i g ht e m p e r a t u r e s t h es u p e r p l a s t i cd e f o r m a t i o nb e h a v i o ro fd - s o l i d i f i e dh i g h c r 删a l l o yw a ss t u d i e d i t w a sf o u n dt h a th i g h c rt i a ia l l o yc a r lp o s s e s sg o o ds u p e r p l a s t i c i t yi ni t sc a s ts t a t e a t t e m p e r a t u r eo f8 5 0 ca n ds t r a i nr a t eo fix10 4s t h et e n s i l ee l o n g a t i o nc a nr e a c h6 2 8 t h ee l o n g a t i o nl e v e li sh i g h e rt h a nt h o s ef o rp r e v i o u ss u p e r p l a s t i c 删a l l o y s t h em o s t s i g n i f i c a n ta d v a n c ei st h a tt h ep r e s e n ts u p e r p l a s t i ch i g h - c rn 砧a l l o y sw e r ep r e p a r e dj u s t b yc a s t i n g t h i si sd i f f e r e n tf r o mt h e r m o m e c h a n i c a lt r e a t m e n t sw h i c hw e r ew i d e l ya p p l i e d f o rp r e v i o u ss u p e r p l a s t i ct i a ia l l o y st ot r a n s f o r mt h ec o a r s e 旺一s o l i d i f i e dm i c r o s t r u c t u r et o 英文摘要 af i n em i c r o s t r u c t u r e t h e r e f o r et h et e c h n i q u ef o rp r e p a r i n gs u p e r p l a s t i ct i a ia l l o y sw a s s i m p l i f i e di nt h ep r e s e n ts t u d y t h eg o o ds u p e r p l a s t i c i t yf o rh i g h - c rt i a la l l o yh a st w oo r i g j n s f i r s t l y , t h ef i n e 勰一c a s t m i c r o s t r u c t u r ei sap r e r e q u i s i t ef o rt h eo p e r a t i o no fg r a i nb o u n d a r ys l i d i n g s e c o n d l y , t h e l a r g ea m o u n to fdi nt h em i c r o s t r u c t u r ep l a y sab e n e f i c i a lr o l et oa c c o m m o d a t eg r a i n b o u n d a r ys l i d i n gi nc o n s i d e r a t i o no ft w op r o c e s s e s ：t h eo r d e r - d i s o r d e rt r a n s i t i o no fd p h a s ea b o v e8 0 0 ca n dt h ep h a s et r a n s f o r m a t i o no fd 叫t h ei n f l u e n c e so fd i f f e r e n t a l l o y i n ge l e m e n t so ns u p e r p l a s t i cd e f o r m a t i o nw e r ei n v e s t i g a t e d i tw a sf o u n dt h a t a l l o y i n gw i t hw ( 0 5 ) ，d e c r e a s eo ft h ec o n t e n to fc ra n di n c r e a s eo ft h ec o n t e n to fa 1 w o u l db eh a r m f u lf o rs u p e r p t a s t i cd e f o r m a t i o nb e c a u s et h e s ec h a n g e sr e d u c e dt h ea m o u n t o f1 3p h a s ea n di n c r e a s e dt h eg r a i ns i z e a sf o rt h et e n s i l es t r e n g t ho fps o l i d i f i e dh i g h c rt 瑚a l l o y , i tw a sf o u n dt h a ti nt h e a s c a s ts t a t et h eu l t i m a t es t r e n g t hw a si m p r o v e df r o mp r e v i o u s 5 5 0m p af o rt h e t r a d i t i o n a l 仅一s o l i d i f i e dt i a ia l l o y st ot h ep r e s e n t6 4 0m p a t h ei m p r o v e m e n ti sa t t r i b u t e d t om i c r o s t r u c t u r er e f i n e m e n ta n ds o l u t i o n s t r e n g t h e n i n gb yh e a v ya l l o y i n g t h e 1 3 - s o l i d i f i e dh i g h c rt i a ia l l o yc a nb ef u r t h e rs t r e n g t h e n e db yt r a n s f o r m i n gt h ea s - c a s t m i c r o s t r u c t u r et oaf i n ef u l l yl a m e l l a rs t r u c t u r et h r o u g hh e a tt r e a t m e n t i tw a sf o u n dt h a t a f t e ro n e s t e ph e a tt r e a t m e n taf i n ef u l l yl a m e l l a rs t r u c t u r e 研t i lag r a i ns i z eo f - 5 0p m c o u l db eo b t a i n e d ，a n dc o n s e q u e n t l yt h eu l t i m a t et e n s i l es t r e n g t ha tr o o mt e m p e r a t u r e i n c r e a s e dt ob e710m p a , r e a c h i n gt h el e v e lf o rp r e v i o u sw r o u g h tn a la l l o y s t h e s e r e s u l t sw o u l do fs i g n i f i c a n c ef o ri m p r o v i n gt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n ds i m p l i f y i n gt h e p r e p a r a t i o nm e t h o do ft i a la l l o y s k e y w o r d s ：t i a ia l l o y s ，a l l o y i n g ，s o l i d i f i c a t i o nr o u t e ，m i c r o s t r u c t u r er e f i n e m e n t ， s u p e r p l a s t i c i t y , g r a i nb o u n d a r ys l i d i n g ，h e a tt r e a t m e n t ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i i i 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：幻年多月夕日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密必，在多年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名： 日期：钿年3 月夕日 指导教师签名： 日期：p 晦 引救 圳7 日 第一章m i 基合金研究概况 第一章t i a i 基合金研究概况 1 1 引言 在高温结构材料领域，镍基超合金和陶瓷材料是传统的具有不同特性的两类材 料，在工业生产中发挥着重要的作用，而随着航天，航空和汽车工业的发展，对高 温材料提出了新的要求，这就是要发展一种能具有比超合金更高的使用温度而强度 不会降低，而又比陶瓷材料具有更好的韧性和塑性的材料。而对材料强度本质的认 识使我们知道，在不同的材料中，原子或离子有着不同键合，而要使材料兼具某两 类材料的特性，就必须使组成材料的原子或离子之间的键合具有这两类材料中原子 或离子键合的特性。而金属间化合物正是具有这种混合键合特性的物质，它是由金 属和余属或金属和类金属元素为主要组元构成的二元或多元中间相化合物，其原子 呈长程有序排列，原子间金属键和共价键共存，所以有可能兼备金属的较好塑性和 陶瓷的高温强度，因而是具有广泛应用前景的高温材料【1 3 】。 表卜1 钛铝合金、传统钛合金及超合金相关性能对比【4 6 1 t a b l e1 - 1p r o p e r t yc o m p a r i s o nb e t w e e nt i t a n i u ma l u m i n i d e s ，c o n v e n t i o n a lt i t a n i u m b a s e a l l o y sa n ds u p e r a l l o y s 【4 - 6 1 t i a i b a s e 丫 t i 3 a l - b a s e 蛳 p r o p e r t i e s t i - b a s ea l l o y s s u p e r a l l o y s a l l o y sa l l o y s d e n s i t y ( g ，c m ) 3 7 3 94 1 4 74 58 3 r tm o d u l u s ( g p a )1 6 0 1 7 61 2 0 1 4 59 6 1 1 52 0 6 y i e l ds t r e n i g t h ( m p a )4 0 0 6 3 07 0 0 9 9 03 8 0 1 1 5 0l t e n s il es t r e n g t h ( m p a )4 5 0 7 0 08 0 0 11 4 04 8 0 。1 2 0 0| c r e e pl i m i t ( ) 1 0 0 07 5 06 0 01 0 9 0 o x i d a t i o n ( ) 9 0 0 1 0 0 06 5 06 0 01 0 9 0 d u c t i l i t y ( ) a tr t 1 32 71 0 2 03 5 d u c t i l i t y ( ) a th t l o 9 01 0 2 0 h i g h l o 2 0 s t r u c t u r e l 1 0 d 0 1 9 h c p b c cf c c l 1 2 航天、航空和汽车工业领域的发展需要轻质耐高温材料，而在众多的金属间化 合物中，由于t i a l 系化合物( t i 3 a i ，t i a l ，t i a l 2 和n a l 3 ) 具有较低的密度和耐高温 等特点，自然便成为研究的热点。而在n a l 系化合物当中t i 砧基金属间化合物， 由于具有低密度，较高弹性模量以及良好的高温强度，抗蠕变和抗氧化能力( 表1 一1 ) 4 ，5 ，7 一1 3 】，在国内外已经对其开展了大量研究，并取得了重要进展。 1 2 研究进展 1 2 1 发展阶段及其特点 t i a l 相存在于t i a i 二元系中是由p d u w e z 等首先报道【1 4 】，该相具有l 1 0 型 ( c u a u ) 有序结构。1 9 5 6 年，m c a n d r e w 发现了y n 舢在高温下有较高的强度和良 好的抗蠕变性能f 1 5 ，1 6 】。此后t 认l 基合金的研究受到广泛的重视，但由于室温脆性 的问题发展较为缓慢。后来m j b l a c k b u r n 对n 砧基合金的塑性问题进行了深入研 究，取得了较大进展，又掀起了研究的热潮 1 7 】。现在，美国，日本，俄罗斯，西 欧等工业国家都对t i a i 基合金的研究投入很大。 表1 - 2t i m 合金发展阶段的划分【5 ，1 8 g e n e r at i o n c o m p o s i t i o n ( a t ) p r o c e s s i n g 1 s tt i 4 8 a l lv - ( 0 1w t c ) f i n e g r a i n e d w r o u g h t p ma l l o y s s t a n d a r da l l o y s t i ( 4 5 4 8 ) a i - ( i - 2 ) m - ( 0 4 ) n bf l d u p l e x c a s ta l l o y s m = c r , vm ne x p e r i m e n t a l w r o u g h t p ma l l o y s 2 n d m o d i f i e da l l o y s 1 r i - ( 4 5 4 8 ) a l 一( 0 2 ) m ( o 一5 ) x - ( 0 2 ) zf l d u p l e 划 c a s ta l l o y s x = n b ，t a , w ；z = s i ，b ，f e ，ne x p e r i m e n t a l w r o u g h ta l l o y s 币( 4 5 4 7 ) ai 2 n b 2 m n + ( 0 8 - 7 ) v 0 1 t i b 2 f i n ef l d u p l e x c a s ta l l o y s w r o u g h ta l l o y s d e s i g n e dm i c r o s t m c t u r e a r w r o u g h t m o d i f i e df o rd e s i g n e dm i c r o s t r u c t u r c s a n ds o l i ds o l u t i o nh a r d e n i n g a l l o y s t i ( 4 5 4 7 5 ) a i ( 1 - 2 ) m - ( 2 - 6 ) n x ( w , h f i s n ，c ) d u p l e x n l c a s t i n ga l l o y s 3 r d - ( o - o 3 ) a c a s ta l l o y s s a m ea sw r o u g h ta l l o y s t i - ( 4 6 4 7 5 ) a i - 2 c r - y ( n b ，t a )c a s t i n gd u p l e x ；n e a r l y l a m e l l a r s a m ea sa b o v e 到目前，t i a i 合金研究已经经历了三个发展阶段( 表l - 2 ， 5 ，1 8 】) ，7 0 年代， 研究者歼发了第一代t 认l 基合金t i 4 8 a 1 1 v ，在这个阶段，人们对t i a i 合金的一些 基本的组织转变的机理和简单的加工手段有了一定的了解。但发现即使加工的困难 2 第一章l t a l 基合金研究概况 和脆性问题能够解决，而合金由于缺乏足够的强度，且蠕变性能较差也不会有很大 的应用。后来在第二阶段，发展起来第二代合金币4 8 砧2 c r - 2 n b ，这期间合金成分 和制备与性能的关系仍是研究的主要内容，但有一个重要的转变就是以制备一性能 之间关系为导向的研究转向了制备一显微结构一性能之间的关系为导向。并且在此 期间建立了一个相对可靠的二元相图，对研究起了很大的推动。 在发展第二代，第三代t i a l 基合金的同时，基于实用化的考虑，有关合金生产 加工工艺方面的研究也逐渐越来越受到人们的重视。9 0 年代以来，作为很有潜力的 未来高温材料，研究的范围也转向选择合适合金成分以及经济实用的工艺，提高合 会的性能的方向上来。一些t i a l 合金的部件也已被成功制备，对于铸造合金而言， 日本采用等离子凝壳炉熔炼和精密铸造工艺，成功的制备了t i a i 基合金涡轮增压器 转子 1 9 】。通用电气公司( g e ) 也通过铸造或锻造工艺，制成了各种喷气发动机部 件，并成功的进行了t i - 4 7 a 1 2 c r - 2 n b 的铸造低压涡轮叶片的模拟飞行实验 1 1 ，2 0 ， 2 1 。另外在汽车工业发面，通用汽车公司( g m ) ，沃尔沃( v o l v o ) ，福特汽车公司 等都进行了t i a i 基合金部件的发动机实验 2 2 ，2 3 。 1 2 2 相图及合金的凝固 从表1 2 可以看出，t i a i 基合金发展到现在，合金体系越来越多。合金化是其 发展的一个趋势，并且合金体系向着多组元高合金化方向发展。但是无论是多组元 和高合金化都是建立在对t i a l 二元系的深入理解之上，这就要求对基本的二元相图 的熟悉。 关于1 r i 砧二元相图的研究开始的非常早，但是直到现在也没有达到令人满意的 程度。过去k a n f m a n ，n e s o r ，g r o s s ，m u r r y 等曾用不同的模型计算过n 舢二元相图 【2 4 - 2 7 ，但是直到8 0 年代，相对完整的二元相图才构建起来，而对于相图的中间部 分则还存在着争议。后经过h u a n g ，f r o s 和k a i 【2 8 的修正后，被研究者普遍接受如 图1 1 所示。 通常的t i a i 基合金的a l 含量的范围一般在4 5 - - 5 0 之间( 原子百分比) ，在 相图上是一个相对狭窄的区域。但是，就是在这个狭窄的范围内，合金的铸态组织 却会因a l 含量的微小变化，而产生很大的差异。产生这种差异的原因是合金凝固时 f i g 1 1c e n t r a lp o r t i o no f t i a ib i n a r yp h a s ed i a g r a m1 2 9 初生相的不同以及它的含量的差异。当a l 含量大干某一成分时，合金从液态凝固时 形成大量的初生相d ，它沿着自己的c 轴方向择优生长，形成柱状晶，在随后的冷却 过程中，y 扳条从中析出，也有序化形成。z ，形成粗大的柱状层片结构，这就是所 幽卜2从a ( a ) 和o ( b ) 凝川路线辕周得到的铸态t i a i 合金显微组织 3 ，2 9 f i g 12c a s t m i e r o s t r u c t u r e so f t i a ia l l o yo b t a i n e d f r o m ( a ) a n dd ( b ) s o l i d i f i t i o n 3 ，2 9 i 谓的d 凝固组织，如图i 2 a 所示。其中啦和y 两相满足 o o o l 。z 1 1 1 y ， 2 可改善热加工能力及超塑性： 3 5 - 4 0 8 将极大地改善抗氧化能力。 m i l 1 3 可提高双态合金的塑性。 4 1 v 卜3 可提高双态合金的塑性，降低抗氧化性。1 3 ，4 2 n b 极火地改善合金的抗氧化性，提高合金的高温强度及抗蠕变性。 1 5 3 9 w 明显地改善合金的抗氧化性及抗蠕变性。3 9 ，4 3 m o 可提高细晶合金的塑性和强度，改善合金抗氧化性。 4 4 t a 改善合金的抗氧化及抗蠕变性能，但增加合金的热裂敏感性。1 5 ，4 5 0 5 1 改善抗蠕变能力及抗氧化性： s i4 5 _ 4 7 提高浇铸流动性并降低热裂敏感性。 f e 提高浇铸流动性及热裂敏感性 4 5 o 5 可细化晶粒，提高强度及热加工性 b 4 5 ，4 8 b 合金化极大地改善铸造性能 c 明显改善抗蠕变性能，但对塑性不利 1 3 e r 改变变形弧结构，提高单相，的塑性 4 9 n i 增加流动性 4 5 1 2 4 显微组织与力学性能 t i a i 基合金的性能是对显微组织十分敏感的，对于四类典型组织 3 6 ，9 ，1 8 ， 2 9 3 3 1 ：近y 组织( n g ) ，双态组织( d p ) ，近全层状组织( n f l ) 和全层状组织( f l ) ( 图1 4 ) ，他们表现出来的力学行为就有很大差别( 图1 5 ) 【9 】，往往一种性能突出 而另外一种性能欠佳。一般来说，d p 组织的的晶粒一般较小，其塑性较高，断 裂韧性低f l 组织通常是大晶粒的片层组织，大晶粒使强度和塑性都降低，而片层 7 削1 - 4 y - t i a i 基台金的四种典型组织f a ) n g , ( b ) d b ( c ) n f l ，( d ) f l 【3 - 6 ，9 ，1 8 t2 93 3 】 f i g 1 - 4f o u r t y p i c a l m i c r o s t r u c t u r e s i n t i a ia l l o y ：( a ) n g ( b ) d 只( c ) n f la n d ( d ) f l j 一6 ，9 ，1 8 ，2 9 3 3 1 倒1 5t i a i 台金显微组织、品粒尺寸与力学性能的关系示意幽【9 l f i g l - ss c h e m a t i cr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nm i e r o s t r u c t u r e g r a i ns i z e ( g s ) a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 【9 i 第一$ a l 基台金研究概r 组织使韧性提高。对p o l y s y n t i l e t i e a l l yt w i n n e dc r y s t a l s ( p s t ) 的研究表明，片层界 面对裂纹扩展有阻力，所以其断裂抗力高于单相y ，f l 和n f l 组织的片层含量都很 高，所以断裂韧性高。而n g 组织，其中无片层结构，且一般晶粒较大，所以塑性 和韧性都较低。 弱 。弓矿市订制o b m m 副山 图卜6a ：不同组织的拉伸强度和延性与晶粒度的关系 b ：不同层状结构的材料性能比较 f i gi - 6a ：g r a i ns i z e d e p e n d e n c eo fs t r e n g t ha n de l o n g a t i o n ，b ：c o m p a r i s o no f p r o p e r t i e s b e t w e e nd i f f e r e n t l a m e l l a rs t r u c , c u r 从上面可以看出，材料的性能与组织的关系非常密切，因而对组织的优化也就 成为研究者一直以来关注的焦点。而在组织优化的过程中，人们发现，与其他的材 料一样，材料的强度和延性会都随晶粒的减小而提高，服从h a l l p e t c h 关系 ( o ：o o + k j “”) ，( 图1 - 6 ) 5 1 。这也提供了一条提高力学性能的途径：组织的 细化。但是对于不同的组织，通过组织的细化，性能提高的范围和幅度是不一样的。 从图6 a ，可以看出，层状结构的材料通过组织的细化，可以大幅度的提高拉伸性能。 另外近些年的研究也表明具有细晶全层状结构的材料具有较为优良的综合力学性能 5 ，3 4 ，5 l ，5 2 1 。所以现在许多研究者都把注意力集中于细晶全层状组织( f f l ) 的获 得上。人们已经用不同的方法获得了不同类型的层状结构i t t ，5 3 5 6 1 例如热机械处 理层状组织( t m t l ) ，它是通过把热加工后的材料经过短时间在a 单相区处理后得到 的，如果材料中含有少量的b ( 00 3 05 ) ，那它会对晶粒长大起阻碍作用使晶粒十分 $l，i5 5 4 3 2 l 细小。而热机械加工层状组织( t m p l ) 则是通过在高温对材料进行挤压形成的。还 有细化的全层状组织( r f l ) ，它可通过两种方法得到：一种是在高温的时d 相区而 不是仅相区进行处理，另外一种是通过两步加热后在仅相区短时保温。两者都要较快 的冷却。它们力学性能的比较见图1 6 b 。从图中可以看出，具有t m t l 组织的材料， 当晶粒度在1 0 0 - - 3 0 0 9 m 时，其室温屈服强度在3 8 0 - - 5 0 0 m p a 左右，具有较好的延性。 而r f l 材料晶粒度在1 5 0 - - 4 0 0 i - t m 时，其强度在4 0 0 - - 5 5 0 m p a ，比t m t l 材料稍强， 但是延性相对较低( o 5 1 ) 。性能较突出的是t m p l 材料，其室温强度达到 1 0 0 0 m p a ，并且具有较好的延性( 2 ) 。 但是上述所提及的方法，工艺较复杂，制备成本较高。而热处理方法相对简单 和经济，吸引了不少研究者的注意。它是通过仅和丫之间固态相变的关系来达到细化 晶粒和组织层片化的目的。人们提出了很多热处理路线来得到细全层状组织 3 2 ， 5 7 6 5 。在热处理细化显微组织并获得全层状组织的研究中，取得了较大的进展。对 于瓢4 8 a 1 2 c r 合金，晶粒从5 0 0 1 x m 细化至1 0 t m ，室温拉伸强度从3 3 0m p a 提高到 6 1 0m p a ，断裂强度从4 1 5m p a 提高至8 2 5m p a ，延性从0 7 提高为3 3 【5