外文翻譯：幾種鉬合金硬化機(jī)理和再結(jié)晶行為

1、外 文 資 料 翻 譯幾種鉬合金的硬化機(jī)理和再結(jié)晶行為摘 要研究表明了熱軋對(duì)鉬鈦合金和TZM合金組織的影響（Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%、Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.08%）。這些合金都由粉末冶金進(jìn)行生產(chǎn)，并在1200左右進(jìn)行粗軋，使其變形度達(dá)到2.87（log）。在不降低合金延展性的情況下，其極限屈服強(qiáng)度也得到了提高。為了研究合金的再結(jié)晶行為，對(duì)一些樣品分別在1100至1600之間退火15min至6h。合金組織可通過掃描電鏡、背散射和透射電鏡進(jìn)行觀測(cè)，使用了帶有可控速率的拉伸試驗(yàn)和維氏硬度值表示合金的機(jī)械性能。變形期間伴隨有兩種合金的亞結(jié)構(gòu)包括亞晶粒的形成。晶粒細(xì)化可以提高合金硬度。第二相微?？梢蕴嵘辖鹪俳Y(jié)晶

2、溫度，這樣即使工作溫度在1200左右時(shí)晶粒尺寸也能保持不變。關(guān)鍵詞： TZM合金，再結(jié)晶， Mo，組織，電子背散射（EBSD）介紹由于熔點(diǎn)很高，鉬和鉬合金經(jīng)多由粉末冶金進(jìn)行生產(chǎn)。大多數(shù)情況下燒結(jié)出的材料試樣其機(jī)械性能并不適用，因此試樣在燒結(jié)后必須通過熱軋制才能得到需要的強(qiáng)度和延展性。只有在退火后材料才能實(shí)現(xiàn)高度變形。再結(jié)晶通常會(huì)降低材料的強(qiáng)度，所以材料的再結(jié)晶溫度限制了它的工作溫度，但這會(huì)使材料更容易加工變形。在過去的幾十年，對(duì)高溫材料的需求量有所增加同時(shí)也要求材料有更高的工作溫度。自上個(gè)世紀(jì)60年代，TZM已作為一種高溫鉬合金已得到廣泛認(rèn)可。與鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的鉬鈦固溶合金相比，TZM合

3、金顆粒包括材料的強(qiáng)度更為優(yōu)越。本研究的目的是獲得關(guān)于影響機(jī)加工樣品在熱處理過程中的行為和性能組織的其他信息。TZM被認(rèn)為是材料的強(qiáng)化微粒，本研究的目的是得出第二相微粒強(qiáng)化之外其他硬化機(jī)理的效果以便于建造高效率的鉬合金生產(chǎn)線。本文意圖引出關(guān)于有助于設(shè)計(jì)提升合金在熱負(fù)荷使用性能的新思考。1.實(shí)驗(yàn)本次實(shí)驗(yàn)研究了兩種合金。一種是知名的含有鈦、鋯、碳的TZM合金，另一種是被生產(chǎn)出用于研究溶解的鈦原子對(duì)基體影響的實(shí)驗(yàn)合金。兩種合金都是由粉末冶金生產(chǎn)。為了得到TZM合金，生產(chǎn)第一步需混合TiH、ZrH、石墨和Mo粉。對(duì)于鉬鈦合金使用Mo粉和TiN粉末，混合均勻后進(jìn)行冷壓，然后在1800左右燒結(jié)超過5h。被燒

4、結(jié)材料的主要化學(xué)成分需經(jīng)過光譜等離子分析儀進(jìn)行鑒定，其成分如表1所示。表1 Mo-Ti合金和TZM合金燒結(jié)后的化學(xué)成分Ti(ppm)Zr(ppm)rC(ppm)O(ppm)TZMMo-Ti459047301055012261243<5合金元素的分布可通過電子探針顯微分析儀進(jìn)行分析。備好的棒材通過分2步進(jìn)行鍛壓軋制，總變形程度達(dá)到2.87（log），從這些棒材中取出一部分用于不同條件的退火實(shí)驗(yàn)。棒材試樣直徑為6mm，高7mm，在鎢爐中通入H作保護(hù)氣進(jìn)行退火防止試樣被氧化。退火時(shí)間和退火溫度見表2表2 退火工藝列表（X-使用電鏡背散射進(jìn)行調(diào)查研究和對(duì)試樣硬度進(jìn)行測(cè)量，未標(biāo)記的只測(cè)量試樣硬度）

5、退火溫度退火時(shí)間TZM11001300140014501500160015minXXXX60minXXXX120minXXXX360minXXXMo-Ti1200130014001500XXXXXX所有試樣的機(jī)械性能都用維氏硬度值表示。此外樣品的機(jī)加工情況通過拉伸實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，室溫下拉伸應(yīng)變速率為。退火試樣的組織可通過掃描電鏡和電子背散射進(jìn)行觀測(cè)，使用了帶有電子背散射系統(tǒng)的高分辨率掃描電鏡。通過掃描電鏡和電子背向衍射技術(shù)研究的退火試樣都是在表2中標(biāo)記的，所有試樣都經(jīng)過了電解拋光。沿軋制方向?qū)υ嚇舆M(jìn)行了垂直截面分析。從這些實(shí)驗(yàn)中可以得到關(guān)于試樣結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸、取向差分布信息，這些信息對(duì)于確定試樣

6、的恢復(fù)和再結(jié)晶的幾種情況都是很有必要的。經(jīng)過機(jī)加工和經(jīng)1450退火的TZM合金試樣的位錯(cuò)密度可用XRD線性分析技術(shù)檢測(cè)。位錯(cuò)密度使用KW測(cè)算表格進(jìn)行計(jì)算。選取合適的輪廓線計(jì)算位錯(cuò)密度的理論步驟在文獻(xiàn)1,2中給與了描述。根據(jù)斯托克斯定律鉬棒在使用前應(yīng)在1500下退火6h。測(cè)量每個(gè)樣品的四條頂部輪廓線以評(píng)估試樣的缺陷密度。拍攝X光的頂點(diǎn)坐標(biāo)為220，200，310，321。 TZM樣品的機(jī)加工情況可用TEM進(jìn)行觀測(cè)，使用飛利浦儀器CM30在V電壓下進(jìn)行觀測(cè)。退火TZM試樣的再結(jié)晶部分使用EBSD記點(diǎn)法定向投影技術(shù)進(jìn)行計(jì)算。測(cè)試數(shù)據(jù)可以用于計(jì)算TZM合金再結(jié)晶的艾弗拉姆指數(shù)和活躍能。2. 結(jié)果、討論

7、考慮到退火1小時(shí)后合金硬度的變化，必須指出鉬鈦合金的硬度在13001400時(shí)會(huì)大幅降低，在1600時(shí)鉬鈦合金硬度會(huì)降至最低（如圖1a所示）。圖1 Mo-Ti合金和TZM合金的力學(xué)性能：（a）退火一小時(shí)后TZM和Mo-Ti合金的硬度（b）拉伸試驗(yàn)，速率為圖2 機(jī)加工時(shí)壓力和晶粒尺寸關(guān)系而TZM合金的硬度在14001500時(shí)才會(huì)顯著降低。在經(jīng)歷了足夠長的退火時(shí)間后，兩種合金硬度值相同。但兩種合金的初始硬度值和屈服強(qiáng)度相差很大（圖1b）。再結(jié)晶后經(jīng)細(xì)晶強(qiáng)化的TZM合金的硬度比經(jīng)固溶強(qiáng)化的鉬鈦合金的硬度高一些，這點(diǎn)尚未被觀測(cè)到。所以，我們可以得出下述結(jié)論：微粒對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙并不會(huì)引起合金初始硬度和屈

8、服強(qiáng)度的差異。如圖2所示，合金初始硬度的差異可能是由于晶粒尺寸的不同所引起。仔細(xì)的觀察機(jī)加工樣品的組織是十分必要的，在使用（Murakami）腐蝕液進(jìn)行腐蝕后，TZM和鉬鈦合金的光學(xué)顯微照片無法清晰地顯示出晶粒，與掃描電鏡相比，兩種合金顯現(xiàn)出了特有的輪廓。TZM合金的亞晶粒直徑差異比鉬鈦合金的大，但TZM擁有更小的亞晶粒。使用電子探針顯微分析技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)在鉬鈦合金中鈦均勻地溶于鉬合金基體中。TZM合金中的碳形成了和Mo Ti C化物，至少有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的鈦殘留溶解在Mo基體中。TZM合金中的鋯和氧形成了沉淀，這些氧化物的尺寸最大可達(dá)10um（見圖3a）。鉬鈦碳顆粒直徑小于1um，然而Mo

9、C的沉淀顆粒也是微米級(jí)別并且位于晶界上。圖3. 加工后TZM和Mo-Ti合金在光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡下的圖片：（a）TZM合金光學(xué)顯微鏡下圖片（b）TZM合金掃描電鏡背散射圖片（c）Mo-Ti合金光學(xué)顯微鏡下圖片（d）Mo-Ti合金掃描電鏡背散射圖圖4. TZM合金晶粒（a）掃描電鏡下MoC晶界（b）TZM合金中亞晶界處的Mo-Ti-C化合物圖5. TZM合金樣品加工后的位錯(cuò)分布圖6.TZM合金在1450退火時(shí)位錯(cuò)密度的變化TZM合金斷面亞晶粒的平均斷面尺寸只有幾百納米，圖5a顯示了一些包含位錯(cuò)的亞晶粒。顯微照片透射電鏡的衍射圖可以觀察出晶粒壁和分散的位錯(cuò)壁，同樣也可以觀測(cè)到彎曲的位錯(cuò)線。位錯(cuò)線

10、密度可通過X光輪廓分析進(jìn)行計(jì)算。在晶胞和亞晶粒內(nèi)部機(jī)加工的TZM合金樣品的位錯(cuò)密度為。在1450退火時(shí)TZM位錯(cuò)密度的變化如圖6所示。在開始的15min內(nèi)位錯(cuò)線密度降至710cm，退火6h后位錯(cuò)線密度降至310cm該值接近可測(cè)量的最小極限值。這表明1450下合金的回復(fù)在開始的15min內(nèi)已經(jīng)完成。羅斯（Agronovund Rosen）觀測(cè)到在增大變形度的情況下，合金亞晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)密度將會(huì)降低，同時(shí)亞晶粒壁的取向差有所增加。通過透射電鏡檢測(cè)，卡爾德隆和科斯特通過TEM研究已經(jīng)得出TZM合金的位錯(cuò)密度，在810cm至510cm之間（文獻(xiàn)4）。由電子背向衍射技術(shù)定向測(cè)量可以得到晶壁取向差的信息，

11、圖8a顯示出TZM合金和鉬鈦合金中取向差的分布，二者都顯示了其在11°下特有的極限，相比較鉬鈦合金，TZM合金有更多的2°以下的取向差，然而鉬鈦合金含有更多的在2°7°之間的取向差。線交匯方法被用于計(jì)算平均線斷面直徑。為了得出亞晶粒壁間的交匯長度，所有大于1°的取向差和所有長度大于11°的 晶壁之間的晶粒都被計(jì)算在內(nèi)。如圖7所示，交叉線長度的變化取決于退火的時(shí)間和溫度。TZM合金中小角度晶界的間距離在1300至1400時(shí)開始增加。對(duì)于鉬鈦合金距離開始增加的溫度還要再低大約100。這符合了兩種合金的硬度開始下降的溫度間隔（見圖1a）。在

12、1100至1300時(shí)TZM合金的平均截面輪廓線不會(huì)增加，考慮到在1100下取向差的分布（圖8d），我們可以觀測(cè)到小角度晶界數(shù)量在不斷增加，在6°時(shí)達(dá)到最大。在1450下隨著時(shí)間的增加小角度晶界不斷減少。在1500下退火120min時(shí)間內(nèi)，取向差在30°60°之間頻繁出現(xiàn)極大值。鉬鈦合金在1200下小角度晶界的增加數(shù)量可以觀測(cè)到。與TZM相比，6°時(shí)的小角度晶界數(shù)量并未達(dá)到峰值。在1300下6h內(nèi)，小角度晶界開始消失，材料發(fā)生再結(jié)晶。為了求得再結(jié)晶期間組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化情況，使用了EBSD定向映射的ODF功能進(jìn)行計(jì)算。TZM合金的測(cè)試結(jié)果如下所示：像文獻(xiàn)5

13、前幾位專家展示的那樣，體心立方材料的結(jié)構(gòu)變形可通過的取向分布函數(shù)進(jìn)行描述。其余的兩個(gè)方向主要用于觀測(cè)鐵素體鋼的變化。取向?yàn)?，取向?yàn)槲墨I(xiàn)6。最近出版的關(guān)于鐵素體鋼的資料也表明了這兩個(gè)方向的結(jié)論文獻(xiàn)7。在取向上TZM合金樣品表現(xiàn)出很好的加工性能（圖9）。在該取向上既有較強(qiáng)的定向，又有較弱的定向（表3）。軸平行于加工方向。合金最大處的密度20倍于平均密度。表3.TZM合金組織結(jié)構(gòu)組成12密度（a）機(jī)加工過的樣品00600（b）150090909090903555067671010454545458327246920MUD12MUD10MUD9MUD5.4MUD5.0MUD2.5MUD2.5MUD12

14、345678考慮到取向差的分布、晶粒直徑以及位錯(cuò)密度可以得出TZM合金在1500下在6h內(nèi)完成再結(jié)晶的結(jié)論。在此溫度下形成的結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是棒材熱軋時(shí)的再結(jié)晶結(jié)構(gòu)。如圖10所示，時(shí)的取向分布功能反映了再結(jié)晶期間TZM合金結(jié)構(gòu)成分的變化，表3列出了它的成分。再結(jié)晶后，取向沒有殘留。相比較機(jī)加工時(shí)，再結(jié)晶的TZM合金樣品結(jié)構(gòu)成分變化較小，再結(jié)晶情況下合金最大強(qiáng)度5倍于平均密度。從機(jī)加工到完全再結(jié)晶樣品的結(jié)構(gòu)變化情況是可以理解的。對(duì)于TZM合金，使用賈馬爾理論計(jì)算合金艾弗拉姆指數(shù)和再結(jié)晶的活化能時(shí)有大量可靠的數(shù)據(jù)資料。以約翰、邁赫、 艾弗拉姆、庫姆命名的賈馬爾模型十分有名，被廣泛地用于描述再結(jié)晶過程中的

15、動(dòng)力學(xué)問題。再結(jié)晶時(shí)間取決于下列公式（1）。圖7.TZM和Mo-Ti合金平均線截面尺寸變化：（a）TZM合金亞晶粒截面（b）TZM合金晶粒界面（c）Mo-Ti合金亞晶粒界面（d）Mo-Ti合金晶粒界面圖8. Mo合金和TZM合金在不同退火階段取向差的分布:（a）機(jī)加工后的TZM和Mo-Ti合金試樣（b）1200退火后的Mo-Ti合金（c）1300退火后的Mo-Ti合金(d) 1100退火后的TZM合金(e) 1450退火后的TZM合金(f) 1500退火后的TZM合金圖9. 機(jī)加工后TZM合金的定向截面： (a) u2 = 45o max = 20 MUD.(b) u1 = 90o max =

16、 20 MUD.圖10. 不同退火階段TZM合金結(jié)構(gòu)變化 a) 1400， 2h, XV = 50%.；b) 1450 1h, XV = 70%. (c) 1450 2h,XV = 90%. (d) 1500 6 h, XV = 100%.X表示再結(jié)晶部分，n被稱為 艾弗拉姆指數(shù)，N為形核速率，G為生長速率，系數(shù)f取決于再結(jié)晶的晶粒形狀。賈馬爾理論適用于隨機(jī)形核且得到的持續(xù)形核速率n=4時(shí)。n由實(shí)驗(yàn)測(cè)出，在實(shí)驗(yàn)中使用了極限逼近。首先，不同時(shí)間段發(fā)生再結(jié)晶的部分可用下述公式進(jìn)行計(jì)算：， 艾弗拉姆指數(shù)n代表了直線的斜率。只有使用光學(xué)顯微照片和掃描電鏡顯微照片才能指出TZM合金的某個(gè)區(qū)域是否發(fā)生了再

17、結(jié)晶，否則很難做到。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中含量可由EDSD定向映射測(cè)出。合金結(jié)構(gòu)和線取向差的因素也要被考慮在內(nèi)以確定晶粒是否發(fā)生了再結(jié)晶。需要情況如下：1）相同取向區(qū)域被大角度晶界所包圍（取向差>11）2）不包括取向差<11的區(qū)域（無亞晶粒）圖11為用于特別顯示出含量的視圖。通過計(jì)算與ln（t）的比值得出艾弗拉姆指數(shù)n（圖12a）。艾弗拉姆指數(shù)只適用于當(dāng)TZM合金再結(jié)晶的持續(xù)形核速率n=4且未被觀測(cè)到時(shí)。如果TZM合金形核速率增長過快，得到的艾弗拉姆指數(shù)就會(huì)降低。所以當(dāng)再結(jié)晶開始時(shí)，我們可以認(rèn)為形核已經(jīng)完成文獻(xiàn)8。這種情況稱之為空間飽和，此時(shí)艾弗拉姆指數(shù)小于3。再結(jié)晶晶粒的沖擊會(huì)引起n值的降

18、低，如果晶粒多向生長，n值取3，如果晶粒雙向或單向生長，n會(huì)降至2或1文獻(xiàn)8。在透視電鏡顯微照片中可以觀測(cè)到亞晶粒的結(jié)構(gòu)，該晶?？梢猿洚?dāng)預(yù)形核核心，因此空間飽和可能存在。機(jī)加工TZM樣品晶粒沿軋制方向伸長，所以他們先沿棒材軸向豎直生長。強(qiáng)迫生長方向可能是單向或雙向?？紤]到空間飽和以及晶粒的強(qiáng)制生長，有可能得到較小的艾弗拉姆指數(shù)。使用賈馬爾公式可以計(jì)算出占體積50%的組織發(fā)生再結(jié)晶的時(shí)間。計(jì)算1/T與ln（t）線斜率的乘積便可得出TZM合金再結(jié)晶的活化能（圖12b）。由于Q的誤差不能被忽視，需要測(cè)出t的額外溫度以得出更精確的Q值。圖11 背散射（110向視圖取向差，決定X取值 ）a）TZM合金在

19、1450退火15min；b）TZM合金在1450下退火60min圖12.TZM合金的再結(jié)晶參數(shù)：a）TZM合金在1300、1400、1500下的Avrami指數(shù)；b）TZM合金的Arrhenius點(diǎn)3. 結(jié)論2種合金都會(huì)在形變時(shí)形成自己包括亞晶粒獨(dú)有的基體結(jié)構(gòu)。TZM合金亞晶粒平均線截面尺寸為500nm，小于Ti固溶于Mo中形成的亞晶粒（900nm），這是由于TZM合金中（亞）晶壁間第二相微粒阻礙了晶界的移動(dòng)。從艾格拉和羅斯關(guān)于鉬鎢合金的出版物（文獻(xiàn)11）中也能得到相似的結(jié)果。亞晶粒的結(jié)構(gòu)會(huì)影響兩種合金的強(qiáng)度，這可以通過不同退火狀況下測(cè)出的試樣硬度值表現(xiàn)。鉬鈦合金和TZM合金再結(jié)晶后的硬度相同

20、。如果發(fā)生了第二相微粒強(qiáng)化再結(jié)晶后合金的硬度和強(qiáng)度會(huì)有所不同。然而，第二相微粒對(duì)于亞晶粒運(yùn)動(dòng)的阻礙會(huì)提高合金的再結(jié)晶溫度。由于TZM合金第二相微粒對(duì)亞晶粒壁的阻礙，TZM合金的再結(jié)晶溫度會(huì)高于鉬鈦合金的再結(jié)晶溫度。由于空間飽和和晶粒的協(xié)迫生長，TZM合金的艾弗拉姆指數(shù)小于2。TZM合金的再結(jié)晶活化能為Q=543±40 kJ/mol。在不久的將來通過測(cè)出額外的退火時(shí)間和退火溫度將使Q的精確性進(jìn)一步提高。同時(shí)也應(yīng)注意到由于微粒的阻礙作用，TZM合金活化能應(yīng)當(dāng)高于鉬和鉬鈦合金，也可以表現(xiàn)為再結(jié)晶溫度的提高。由文獻(xiàn)12可知鉬的再結(jié)晶活化能為420kJ/mol。在機(jī)加工的情況下，TZM合金在1

21、10纖維結(jié)構(gòu)方向上表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度，該結(jié)構(gòu)在再結(jié)晶期間的變化分為4個(gè)階段。再結(jié)晶后合金的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會(huì)降低。文獻(xiàn)1 Klimanek P. Moeglichkeiten und Probleme der Beugungsanalyse an strukturell inhomogenen Vielkristallen. In: Beitraege zur Strukturund Gefuegeanalyse von WerkstoffenFreiberger Forschungshefte 1988, B265, Freiberg.2 Breuer D, Klimanek P, Muehle U,

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