这篇文章是一篇学术类型a的技术论文,下面是基于其内容撰写的学术报告:
本文题为“Comparison of Microtexture Evolution during Cryo and Room Temperature Rolling of Ti–5Ta–2Nb Alloy”,作者为Pragna Bhaskar、Arup Dasgupta、S. Murugesan、S. Saroja,来自印第拉甘地原子研究中心(Indira Gandhi Centre for Atomic Research,IGCAR)的Physical Metallurgy Group。本研究发表于《Trans Indian Inst Met》期刊,在线发布时间为2016年5月10日。
本研究主要围绕一种名为Ti–5Ta–2Nb的钛合金展开。随着现代工程技术对材料强度的需求日益增长,研究者们愈加关注通过晶粒细化(grain refinement)提升材料性能的方法,尤其是在核燃料后处理等极端工作条件下应用的材料开发中。钛及其合金因其高比强度(specific strength)和出色的耐腐蚀能力成了工业和核工业的重要候选材料。研究表明,通过添加钽(Ta)和铌(Nb)元素,可以显著提高钛材料的耐腐蚀性能。本研究的主要目的是通过冷轧和冷冻轧制(cryo-rolling)对Ti–5Ta–2Nb合金的微观织构演变进行比较,探讨动态回复(dynamic recovery)抑制对纳米晶材料形成的影响。
本研究包括多个实验程序,具体流程如下:
Ti–5Ta–2Nb合金的成分详见表1,其主要元素包括钛(钛基材的均值成分达到平衡)、钽和铌,此外还含有少量的铁(Fe)、氧气(O)、氮气(N)和碳等杂质元素。合金初始状态为直径为若干毫米的圆棒,经过退火后加工为厚度为3.2毫米的薄片。退火温度为923 K且持续时间为2小时,以尽可能消除变形过程中的历史遗迹。
为了便于实验比较,研究者将退火后薄片分成两组,分别进行室温轧制(room temperature rolling,简称RTR)和冷冻轧制(cryo-rolling,简称CR)。其中: - 室温轧制(RTR)的厚度减薄量分别达到20%、50%、65%、85%和90%。 - 冷冻轧制(CR)采用液氮环境,在每次通过前将样品完全浸入液氮以确保温度维持在亚零度,具体变化见图2,即温度在90%轧制后从240 K略微升到298 K,但未超过室温。
研究表明,动态回复对晶粒尺寸影响显著。CR样品的硬度值显著高于RTR样品(图3),主要是因为动态回复在CR条件下被抑制,从而产生更细致的晶粒。特别是,CR样品达到约60纳米的晶粒尺寸,而RTR 90样品晶粒未达到纳米尺度,仅形成了具有平均约25纳米单元尺寸的位错胞结构(dislocation cell structures)。
在动态回复的影响下,RTR样品的硬度随轧制程度增加逐步提升,但到达90%的减薄厚度时,其硬度仍低于同等条件下CR样品的硬度。
EFSD分析结果(图6至图9)表明: - 在退火后的标准样品(ST)中观察到多边形的原始晶粒(平均尺寸约5微米),热处理消除了先前由变形引起的织构效应。 - RTR 65样品显示出大小不等的二维长条形晶粒,与塑性变形的典型特征一致。 - RTR 90样品的晶粒进一步破碎,但由于形成了位错胞结构和残余应力,织构较弱。 - CR 90样品显示纳米晶特征晶粒,这些晶粒的基面极点图表现出强烈的(0001)取向纹理。
此外,XRD结果(图10)显示轧制应变量的增加会导致晶格参数的变化,这表现在衍射峰偏移到更低的2θ角度。
通过室温和低温条件下轧制后的显微演变对比,本研究揭示了动态回复和位错攀爬(dislocation climb)的本质关联。动态回复的抑制使CR样品形成了更加完善的纳米晶结构,而室温轧制由于无法有效限制位错攀爬,晶粒细化效果有限。
本研究中,CR通过抑制动态回复,成功实现了具有纳米尺度晶粒的高强度合金制备。研究者指出,Ti–5Ta–2Nb合金在核燃料后处理等抗强氧化环境中具有潜在的应用价值,CR技术能够显著提高材料强度而不影响其抗腐蚀性能。相较于室温轧制,低温条件下的塑性变形机制更有助于获得细化结构,这为未来研发高性能金属材料提供了可靠的方法论支撑。
这项研究在金属材料的力学增强与腐蚀性能优化方面具有重要意义。