文章编号：1004-0609(2015)02-0330-08

脉冲强磁场处理对TC4钛合金显微组织及力学性能的影响

李桂荣，李月明，王芳芳，王宏明

(江苏大学 材料科学与工程学院，镇江 212013)

摘  要：研究在脉冲强磁场处理条件下磁感应强度(B=2T、3T和4T)对TC4钛合金材料显微组织和力学性能的影响。结果表明：随着B值从2T增加到4T，α相体积分数从49%增加到59%，表明磁场诱发了从β到α的相变。经过磁场处理后，位错密度增加，当B=3T时，位错密度达到最大值，较未处理试样增加了4.8倍；当B=4T时，位错密度有所减小，这是由于磁致塑性效应和位错堆积效应共同作用的结果。经过磁场处理后，合金的强度提高了，当B=3T时，合金强度最高达到1330 MPa，较未处理试样的1236 MPa提高7.6%；当B=4T时，合金强度为1265 MPa，增幅2.3%，合金伸长率为15.66%，较处理前样品的伸长率提高4.8%，实现材料强度和塑性的同步提高，这与位错强化机制和α相的数量、分布和形貌有关。

关键词：TC4钛合金；磁致塑性效应；脉冲强磁场；力学性能

中图分类号：TG146       　   　     文献标志码：A

Effect of high pulsed magnetic field on microstructure and mechanical properties of TC4 titanium alloy

LI Gui-rong, LI Yue-ming, WANG Fang-fang, WANG Hong-ming

(School of Materials Science and Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract: The effects of magnetic induced intensity (B=2T, 3T and 4T) on the microstructure and mechanical properties of TC4 titanium alloy in the condition of high pulsed magnetic field (HPMF) were investigated. The results show that the volume fraction of α phase increases from 49% to 59% when B increases from 2T to 4T, which demonstrates that the HPMF can induce the phase transformation from β to α phase. After the HPME treatment, the dislocation density increases. The dislocation density reaches a maximum when B=3T, which is added by 4.8 times compared to that without HPMF treatment. When B=4T, the dislocation density decreases a bit. The phenomenon is ascribed to the combined effects of magnetoplasticity and dislocation piles-up. Meanwhile, the tensile strength increases due to HPMF treatment. When B=3T, the tensile strength is 1330 MPa, which increases by 7.6% compared to that without treatment. When B=4T, the tensile strength and amplification are 1265 MPa and 2.3%, respectively. And the elongation is 15.66% which increases by 4.8% compared to that without treatment. Therefore, the strength and elongation increases synchronously, which is the result of dislocation strengthening mechanism and the amount, distribution and morphology of α phase.

Key words: TC4 titanium alloy; magnetoplasticity effect; high pulsed magnetic field; mechanical property

钛是地壳中分布最广的元素之一，约占地壳总质量的0.6%，仅次于铝、铁、镁，居第4位。自20世纪50年代以来，钛及钛合金因具有优异的综合性能，得到世界各国的高度重视，在各行业获得了广泛的应用。第二次世界大战以后，许多国家都意识到钛合金对国防工业的重要性，钛合金迅速发展成为航空、航天高技术领域不可或缺的关键材料，并在舰船、兵器、石油化工、能源、生物医学等领域得到越来越多的应用，被誉为“崛起的第三金属”^[1]。第一个实用的钛合金是1954年美国研制成功的Ti-6Al-4V合金(TC4)，由于它具有良好的综合力学性能、成形性能和焊接性能等优势，因而成为钛合金工业中的王牌合金，该合金的使用量占全部钛合金的50%以上。我国TC4钛合金的研制与应用始于20世纪60年代。目前，对TC4 钛合金的研究正朝着高性能、低成本化方向发展。特别在航空航天工业，随着人们对飞行器要求的提高及飞行器设计理念的变化，不仅要求钛合金的强度水平不断提高，而且对钛合金的韧性也提出了更高的要求，即要有效提高钛合金强度的同时，要求其韧性也要保持在一定的水平，因此，制备高强度、高塑性、高韧性的钛合金是该材料领域的重要任务。近20年以来，物理场先进技术得到越来越多的关注，电场、电磁场、超声微波场^[2]等物理场技术的进步为改善材料性能提供了新机遇，通过力、热、电、磁等效应影响材料的处理条件，具有缩短反应时间、提高反应效率^[3]、提高生成物产率^[4]、细化材料组织^[5]和影响相变过程^[6]等效果。其中脉冲强电磁场具有绿色无污染，超强力、热和量子尺度效应，为改善材料的显微组织和强度、塑性和韧性提供了新途径。在前期国内外文献中未见将脉冲强磁场用于固态钛合金的研究报道，本文作者以TC4钛合金为研究对象，以脉冲强磁场作为外加物理场，研究磁场处理对合金显微组织和力学性能的作用效果。这些工作虽是初步的、探索性的，但有望为物理场改善固态金属材料的强韧性提供新思路。

1  实验

所选用材料为经过固溶时效处理后的TC4钛合金板材，主要组分为Ti-6.2Al-3.8V(质量分数，%)。选用该合金为研究对象，是基于其在工业上的应用广泛，以便研究成果能推广应用。材料固溶处理所选用的温度为980 ℃，保温时间为1 h，时效处理温度为580 ℃，保温时间为8 h。磁场发生装置主要由脉冲发生器、螺线管工作线圈和固定夹具、脉冲数记录仪和试验样品承载台4部分组成。脉冲发生器通过电容充放电开关与线圈正负电极相联，当开关接通时，脉冲发生器对工作线圈释放大脉冲电流，在线圈内产生的脉冲强磁场直接作用于实验样品。脉冲磁场的主要调控参数有磁感应强度和脉冲数，其中以磁感应强度(B)为主。本实验固定脉冲数为30，研究不同B值时(2T、3T、4T)TC4钛合金的组织和性能变化规律。具体操作方法如下：将经过固溶时效处理后的TC4钛合金试样固定于耐材托架中，确保试样面垂直于磁感线方向，在室温下对其进行脉冲磁场处理。磁场处理实验中试样的耐材托架形状尺寸为12 mm×12 mm×50 mm，样品固定方法及磁场处理示意图如图1所示。

图1  试样在脉冲磁场中的位置示意图

Fig. 1  Schematic diagram of sample position in pulsed magnetic field

把脉冲强磁场处理后的试样和原始样一起经过磨、抛光、腐蚀后制备金相试样，进行材料组织等特征的观察。试样抛光后，将试样用10 mL HF+30 mL HNO₃+60 mL H₂O的混合溶液腐蚀，腐蚀时间约10 s，用清水冲洗，再用酒精清洗，最后用电吹风吹干。采用XJG-05金相显微镜观察组织形貌、颗粒度和晶粒的大小。采用GATAN-PIPS-691精密离子减簿仪制备透射电镜样品。用JEM-2100(HR)透射电镜观察组织的原子面和原子、析出相以及位错。采用X-350A型X射线应力测定仪测量半高宽，采用DWD-200拉伸机测量试样的拉伸性能。图2所示为拉伸试样的尺寸示意图。

图2  拉伸试样示意图

Fig. 2  Schematic diagram of tensile specimen

2  结果和分析

2.1  磁场处理对TC4钛合金相变的影响

图3所示是脉冲磁场处理前后TC4钛合金的金相组织，图3(a)~(d)分别对应B=0、2T、3T和4T试样的显微组织。在脉冲数一样的情况下，随着B值从2T增加到4T，TC4钛合金中浅色的α相数量增加，α相体积分数分别为49%、55%、57%、59%(见图4)。可以认为强磁场作为一个诱发条件，促进了TC4合金中β相向α相的转变。与β相相比，α相具有更高的抵抗塑性变形能力和更高的抗蠕变性能，即磁场作用下随着B的增加，有益于改善合金强韧性的α相增多。

图3  脉冲磁场处理前后TC4钛合金金相显微组织

Fig. 3  Microstructures of TC4 titanium alloy processed without and with high pulsed magnetic field(HPMF)

图4  不同磁感应强度下α相在TC4钛合金中的体积分数

Fig. 4  Proportions of α phase in TC4 Ti alloy with different magnetic induced intensities

从以下4个方面分析α相增多的原因：

1) 未经磁场处理时，TC4钛合金中α-β的相变温度为980~1000 ℃，亚稳β相向α相转变的驱动力来自于该温度下亚稳β相与α相的自由能差。用热电偶测量经过4T处理30个脉冲后的样品表面温度，平均温度为150 ℃，这是由于脉冲磁场热效应所致，可见磁场热效应不足以达到常规条件下的相变温度，也是诱发α相变的一个主要因素。

2) 再者磁场可降低相变温度，起到诱发相变的作用。磁场条件下，相变温度ΔT随磁场的变化为^[7]：

        (1)

式中：T_H是施加磁场后的相变温度；T₀是无磁场时的相变温度；μ₀是真空磁导率；、χ_α和、χ_β分别是α相和β相的体积分数和体积磁化率，χ_β＜χ_α，与β相相比，α相具有明显的力学和物理性能的各向异性，更容易受到磁场的影响；H是磁场强度；ΔS₀是相变过程的熵变。可见，在TC4钛合金这样的顺磁性合金中，随着磁场强度H的增加，ΔT降幅明显，即强磁场可降低相变温度，使得相变更容易进行。

进一步地研究磁场对非磁性物质相变影响，相变温度T_c随磁场的变化关系为

                      (2)

式中：χ是体积磁化率；V是体积；V_c是相变时体积；p是压强。根据公式(2)可得，施加磁场增加H后会引起相变点的突变减小。对于许多分子的研究都显示一级相变温度会随磁场变化而发生明显变化，ROSENBLATT^[8]测量得出磁场下相变温度的减小值与磁场的平方成正比。

3) 磁场可以改变金属相变自由能，比如磁场能改变纯金属固液相变的形核驱动能。从Ti-Al二元合金相图上看，对于TC4合金，当温度低于945 ℃时，α相能稳定存在，即从热力学上看α相有析出的内在趋势和驱动力。在钛合金α→β相变过程中，磁场降低了α和β相的界面能，使得α相向β相转化的阻力进一步降低。

4) 在磁致塑性效应作用下(即非磁性物质在磁场作用下内部发生塑性变形的效应)材料内部发生塑性变形，内应力增加，也成为α相的析出驱动力。综上所述，对于TC4铝合金类的顺磁性物质，施加脉冲强

磁场后能在一定程度上影响固态相变行为及相变产物数量等特征。

2.2  磁场处理对TC4钛合金中位错的影响

图5所示为脉冲磁场处理前后采用透射电镜观察到的TC4钛合金中的显微组织。由图5可见，经过脉冲磁场处理后，合金中位错数量较未处理时的增多。当B=0时，位错密度较低；当B=2T时，位错密度明显升高；当B=3T时，位错密度达到最大值，而且位错集中于α相区域，形成了交替的高位错密度区和低位错密度区域，即所谓位错胞结构；当B=4T时，位错密度较3T脉冲磁处理后略有所下降。

根据Dunn公式如下所示：

                                (3)

式中：ρ是位错密度；L是峰半高宽；b是伯格斯矢量。由式(3)可知，峰半高宽度平方与位错密度成正比。图6所示是Ψ角为0°，即衍射晶面法线与试样表面法线平行时，X射线衍射测出的不同B值下TC4钛合金衍射峰的L值。当B为0、2、3和4T时，L分别为1.32°、1.46°、2.89°和2.08°，相应的L²值为1.74、2.13、8.35和4.33；当B=3T时，L²达到最大，较未施加磁场时的位错密度值高4.8倍。位错密度的变化规律与图5所示的位错组织特征一致。

图5  脉冲磁场处理前后TC4钛合金的TEM像

Fig. 5  TEM images of TC4 titanium alloy processed without and with HPMF

图6  不同磁感应强度下TC4钛合金衍射峰的半高宽

Fig. 6  Full widths at half maximum of TC4 Ti alloy with different magnetic induced intensities

分析认为，位错密度的增加是源于磁场作用。首先从磁场力效应考虑，根据法拉第电磁感应定律，位于磁场中的通电螺线管线圈内的合金试样在切割磁感线的过程中将会产生感应电流，感生电流在磁场作用下产生洛伦兹力，继而对放入磁场中的TC4钛合金产生磁压强P(MPa)，如下式所示^[9]：

                                    (4)

式中：μ0为真空磁导率4π×10^-7 H/m。当B=4T时，P为6.37 MPa，远小于常规钛合金的屈服强度，从宏观上看属于弹性变形范畴，也能导致局部塑性变形。按照材料塑性变形理论，磁场所产生的洛伦兹力并不足以使材料发生大面积的塑性变形，即磁场力效应并不是导致材料中产生大量位错的根本原因。

磁场对于非磁性材料另一重要的作用为磁致塑性效应^[10-11]，是指磁场诱发非磁性材料在未达到塑性变形条件时导致缺陷组织(主要指位错)运动的现象。此时位错具有顺磁性障碍的特征，磁场能降低位错形核能、促进位错运动、提高位错密度并促进内应力的释放^[12]。图7所示为磁致塑性效应的示意图，表明磁场能改变位错行为。

从原子量级考虑，当材料处于脉冲磁场时，材料内部的自旋量为±1/2的自由基处于S态，电子对的自旋之和为0，自旋方向相反。当两对自旋电子对逐渐靠近，其间距离r满足r₀≤r≤2r₀时(r₀为电子半径)，磁场的作用会使自由基状态发生转变，使处于S态的电子对激发为T态，此时电子对的自旋之和为1，自旋方向相同。即磁场导致了电子在障碍物与位错之间的转移，使部分自由基对的状态由S态转变为T态，降低了位错移动的势垒,位错移动并增殖，密度增加，并且转变率会随着B的增加而增加。

再者在位错线中心区域即位错芯中包含有顺磁中心，顺磁中心的数量随着塑性应变增加而增加。亦可知在钛合金类的宏观非磁性物质中，顺磁性中心是存在的。正因为位错具有顺磁性这一特征，强磁场能够减小位错形核所需的能量，有助于位错密度的提高。以上讨论了B值对增加位错密度的正面影响，但根据研究结果来看，位错密度并非随B值的增加持续增加。

为了进一步研究磁场处理对ρ的影响机制，考虑位错堆积效应的作用。图8所示是位错堆积效应示意图，假设在晶体滑动面上有一个Frank–Read位错源^[13]，在驱动力作用下，它可以产生位错增殖和向前运动。由于同号位错具有排斥力，当领先的位错遇到障碍物时，由Frank–Read位错源释放的位错环就被堵塞，然后位错环将按一定次序排列。靠近障碍物(如晶界)的位错比较密集，而远离障碍物的位错逐渐变薄，该现象称为位错堆积效应^[14]。如图5(c)箭头所示，在磁脉冲处理后的试样中，晶界附近有明显的位错堆积，随着位错堆积的形成，领先位错的运动将取决于障碍物的强度。如果障碍物足够强大，领先的错位将无法通过障碍物。此时堆积位错数量的逐渐增加将持续抑制 Frank–Read 位错源和位错的增殖，并形成塞积群^[15]。

图7  磁致塑性效应示意图

Fig. 7  Schematic diagram of magnetoplasticity effect

图8  位错堆积效应示意图

Fig. 8  Schematic diagram of dislocation pile-up effect

在长度为l的塞积群中的位错数目n的公式如下所示：

                                   (5)

由式(5)可知，位错塞积群中的位错个数n正比于位错驱动力τ₀和位错源至障碍物间距离l。当l一定时，晶体滑移面受τ₀作用，位错源不断放出位错，使塞积群中的位错数目逐渐增多。当位错达到一定数目n时，塞积群便可以抑制位错源继续向外放出位错。这时要想使位错源继续不断地增殖，必须持续增加位错驱动力τ₀。

塞积群不仅对位错源有抑制作用，而且对障碍物(此处是晶界)也有作用。若塞积群对障碍物的作用力为τ，则障碍物对塞积群的反作用力大小与τ相等，方向与τ相反。障碍物对塞积群的反作用力可认为只作用于领先位错上。

若塞积群中有n个位错，在位错驱动力τ₀作用下，使整个塞积群向前移动δx距离时所作的功为，它应该等于障碍物阻止塞积群向前移动δx距离所作的功，公式如下所示：

=                          (6)

                                    (7)

由式(7)可知，由n个位错组成的塞积群，在位错驱动力τ₀的作用下，其对障碍物的作用力τ比τ₀大n倍，且塞积群中的位错数目越多，塞积群对障碍物的作用力越大，表明领先位错的前端会产生很大的应力集中。这种强大的应力集中可以使塞积群中的螺型位错通过交滑移而越过障碍物，也会使领先位错前端的相邻晶粒内的位错源开动。这种应力集中达到一定程度后，甚至可以把障碍物“摧毁”。

因此，实验结果可以用位错增殖和运动机制来进行说明。根据上面的讨论，当TC4钛合金试样经过脉冲磁场处理后，由于磁场提供给位错的动力足以克服由位错的线性张力所引起的恢复力，即所施加的磁场可以驱动Frank–Read位错源并引起位错增殖。因此，磁处理后材料的位错密度将会增加。然而，位错密度不总是随位错堆积效应而增加，这是由于位错的堆积将持续抑制Frank–Read位错源和位错的增殖。因此，当B值从0增加到3T时，位错密度首先增加，当B=4T时，位错密度趋于稳定。

2.3  脉冲处理对拉伸性能的影响

图9所示为不同B值下合金的拉伸性能数据。由计算得磁场作用下的平均抗拉强度为1285 MPa，较处理前样品的1236 MPa提高3.9%。当B=3T时，合金强度最高达到1330 MPa，提高7.6%。此时位错密度最大，表现为位错强化机制；当B=4T时，合金强度为1265 MPa，较处理前样品的1236 MPa提高2.3%。合金伸长率为15.66%，较处理前样品的伸长率提高4.8%，即经过脉冲磁场处理后，材料的强度和塑性得到了同步提高。

图9  脉冲磁感应强度对TC4钛合金强度和伸长率的影响

Fig. 9  Effect of B values on tensile strength and elongation of TC4 titanium alloy

分析认为材料塑性提高的原因如下：1) 如图10(a)和(b)所示，这些片层状及条状的次生α相，其长轴方向与拉伸载荷的水平方向存在不同程度的夹角，导致其在拉伸变形过程中容易受到剪切应变的作用，从而导致其发生塑性变形；2) α相分布和形貌的影响。如图10(a)明场像及衍射斑点标定(所选区域为表面向内10 μm的区域)所示，箭头所指为β相中生成的片层状次生α相组织，层间距只有数个纳米，β晶粒内部有精细的次生α片层结构，有助于提高强度；如图10(b)所示，在β基体中也存在较大的条状次生α相，宽度约200 nm的条状次生α相的分布较为独立，很少相互交错，减少了滑移的阻力，有助于提高塑性^[16]。

图10  TC4钛合金的TEM像

Fig. 10  TEM images of TC4 titanium alloy

3  结论

1) 对TC4钛合金进行脉冲强磁场固态处理，在脉冲数一样的情况下，当B为0、2T、3T和4T时，合金中α相所占比例分别为49%、55%、57%和59%，即磁场处理促使了β相向α相的转变。

2) 经过磁场处理后，合金中位错密度增加，位错密度在B=3T时达到最大值，较未处理试样的位错密度增加4.8倍。当B=4T时，位错密度有所减小，这是由于磁致塑性效应和位错堆积效应共同作用的结果。

3) 经过磁场处理后合金的抗拉强度提高。当B=3T时，合金强度最高达到1330 MPa，较未处理试样的1236 MPa提高7.6%；当B=4T时，合金强度为1265 MPa，增幅为2.3%；合金伸长率为15.66%，较处理前样品的伸长率提高4.8%，即实现了材料强度和塑性的同步提高，这与位错强化机制和α相数量、分布和形貌有关。

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(编辑  王  超)

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51371091，51001054，51174099)；江苏省自然科学基金资助项目(BK2011533)

收稿日期：2014-06-16；修订日期：2014-11-02

通信作者：李桂荣，副教授，博士；电话：18652886379；E-mail: liguirong@ujs.edu.cn