钼浓度对Ti-Mo合金延脆转变的影响

《ACTA MATERIALIA》：Effect of molybdenum concentration on ductile-to-brittle transition in Ti-Mo Alloys

　　钛钼合金的韧性转变温度受钼浓度调控，通过小冲孔测试发现当β相稳定性超过临界阈值时，合金呈现温度依赖性变形能力，并形成脆性（长直螺位错主导）、塑性（高密度位错缠结钝化裂纹尖端）和 tough（孪生与位错滑移协同）三种抗拉强度状态。孪生界面对位错运动具有双重作用：阻碍位错同时作为新位错源，有效缓解低温脆性并提升高温韧性。研究结果为高强高韧钛合金设计提供了理论依据。

　　

杜浩伟|韩伟忠

摘要

钛钼（Ti-Mo）合金中β相的稳定性受钼含量的控制，这直接影响其变形机制，从而对其从韧性到脆性的转变（DBT）行为产生显著影响。然而，对这种关系的系统研究尚未展开。在这项工作中，我们采用小冲头试验研究了模型Ti-xMo（x = 3, 15, 25, 32 wt.%）合金的DBT行为。当β相稳定性超过维持单相结构所需的临界阈值时，Ti-Mo合金表现出明显的温度依赖性变形能力。β-Ti-Mo合金的DBT表现出异常现象，这是由于钼含量和温度对变形机制的协同作用所致。有趣的是，Ti-Mo合金表现出三种不同的韧性状态：一种脆性状态，其特征是长而直的螺旋位错；一种韧性状态，与高密度缠结位错有关，这些位错能够钝化裂纹尖端并实现协调变形；以及一种由孪晶形成和位错滑移共同作用引起的韧性状态。值得注意的是，孪晶有效缓解了低温下的脆性，同时提高了高温下的韧性。孪晶界不仅阻碍了位错的运动，还作为位错源增强了塑性，从而实现了强度与韧性的协同效应。这些发现阐明了钼含量在Ti-Mo合金DBT中的作用，并为高性能Ti合金的设计提供了指导。

引言

体心立方（BCC）金属由于其高熔点、优异的机械性能以及耐腐蚀性和抗辐射性，在极端服役环境中得到了广泛应用[[1], [2], [3], [4]]。然而，BCC金属的韧性到脆性转变（DBT）现象普遍存在，这归因于它们复杂的螺旋位错三维结构，对其在极端环境下的性能（尤其是在低温下）构成了重大挑战[[5], [6], [7], [8], [9], [10]]。具有BCC结构的β-钛合金（β-Ti）因具有高比强度、高比模量和优异的生物相容性而在航空航天、生物医学和石化工业中得到广泛应用[[11], [12], [13], [14]]。然而，钼（Mo）含量会影响β-Ti-Mo合金的变形机制，从而直接影响其机械和物理性能[[15], [16], [17]]。此外，关于β-Ti-Mo合金是否像其他BCC金属一样具有DBT行为的研究很少。因此，需要探讨钼含量对β-Ti-Mo合金变形机制及其DBT的影响，以作为低温工业应用的参考。

钼是Ti合金中众所周知的β相稳定元素。钼含量的增加显著提高了β相的稳定性，促进了从六方密排（HCP）相到BCC结构的相变。先前的研究表明，当钼含量超过10 wt.%时，Ti-Mo合金在室温下可以保持100%的β相[[18], [19], [20]]。此外，β相稳定性的提高会导致Ti合金的变形行为发生显著变化，进而影响其整体机械性能[21,22]。β-Ti-Mo合金的变形通过应力诱导的转变发生，包括HCP α'马氏体相、正交α"马氏体相、六方ω相、变形孪晶和常规位错滑移[[23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30]]。通常，钼含量较低的β-Ti-Mo合金倾向于形成马氏体相[[31], [32], [33], [34]]。随着钼含量的增加，变形机制依次转变为ω相[35,36]、变形孪晶[37,38]和位错滑移[37,39]。因此，钼含量对β-Ti-Mo合金的变形机制调节至关重要。变形机制的变化必然会直接影响合金的整体机械性能[40,41]。对于孪晶来说，高密度的变形孪晶的形核可以有效容纳塑性应变，而形成的密集孪晶界会减小平均自由路径并阻碍位错的运动，从而提高合金的强度和韧性[[42], [43], [44]]。对于位错而言，当螺旋位错和刃型位错的移动性相当时，位错源可以高效运作，导致高密度的移动位错形成以适应塑性变形[[45], [46], [47], [48]]。因此，钼含量对变形机制的影响将影响β-Ti-Mo合金的DBT行为。有趣的是，钼含量如何影响β-Ti-Mo合金的DBT行为仍然是一个值得研究的问题。此外，不同钼含量的β-Ti-Mo合金的塑性温度依赖性也不清楚。

在这项工作中，我们选用了再结晶的Ti-xMo（x = 3, 15, 25, 32 wt.%）合金作为模型材料，研究钼含量对β-Ti合金DBT的影响。采用小冲头试验（SPT）评估了四种不同钼含量Ti-Mo合金的DBT行为。详细分析和表征了温度依赖的断裂能量、变形形态和微观结构特征，并探讨了钼含量和加载温度对变形机制以及整体机械性能和断裂特性的影响。

章节摘录

不同钼含量的Ti-Mo合金

四种不同间隙杂质含量的Ti-xMo（x = 3, 15, 25, 32 wt.%）合金经过轧制至50%的变形率后，在900–1000 °C下退火0.5–1小时，得到平均晶粒尺寸为100 μm的完全再结晶结构作为模型材料。测量了大约一百个晶粒并进行统计分析，以获得每个样品的平均晶粒尺寸。测试前，所有试样都经过机械研磨

不同钼含量的Ti-Mo合金的DBT行为

四种单相Ti-xMo（x = 3, 15, 25, 32 wt.%）合金具有相似的等轴晶粒结构，平均晶粒尺寸为100 μm，如图1所示。初始结构中的位错密度较低，且没有退火孪晶。在-150 °C至150 °C的温度范围内进行SPT试验，以确定Ti-xMo合金的DBT温度（DBTT）。图2(a)至(d)显示了在不同温度下测量的四种不同钼含量Ti-Mo合金的载荷-位移曲线

Ti-Mo合金的变形机制

β相的稳定性受钼含量的控制，这是决定β-Ti合金变形机制的因素。一般来说，随着钼含量的增加，β-Ti的变形模式依次为：α’马氏体相 → α”马氏体相 → ω相 → 孪晶形成 → 位错滑移。然而，晶粒尺寸、变形条件和亚稳相等因素可以促进或抑制特定的变形模式，从而实现多种变形机制的组合

结论

在这项工作中，我们通过SPT系统研究了钼含量对Ti-Mo合金变形机制和DBT行为的影响。主要发现总结如下：

(1).

只有当钼含量达到β相稳定阈值时，Ti-Mo合金才会出现DBT行为。含有α相的Ti-3Mo没有温度依赖的DBT现象，而Ti-15Mo和Ti-32Mo分别表现出明显的DBT转变，DBTT分别为-66 °C和2 °C。值得注意的是，Ti-15Mo保持

CRediT作者贡献声明

杜浩伟：撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、方法论、研究。韩伟忠：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、监督、项目管理、方法论、研究、资金获取、概念化。