导读：提出了一种利用同步时效进行应力松弛的方法来同时降低应力松弛极限并增强钛合金的机械强度。在600℃下对经过固溶处理和时效处理的样品进行了应力松弛测试，以研究微观结构演变与应力松弛之间的相互作用。采用Kohlrausch-Williams-Watts方程来分析松弛动力学。结果表明，施加的应力促进了αs（次生α）相的快速析出和生长。与此同时，施加的应力还诱导了αs相中孪晶的存在，导致了αs中弹性能量的松弛。反过来，相变和应力诱导的孪晶都使应力松弛极限降低了56%。此外，Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1 V合金在室温和使用温度下的抗拉强度分别提高了3.4%和9.2%。

弹簧回弹是使用钛合金制造薄壁构件过程中的长期问题，尽管这些构件大多在高温下形成。通过激活轻合金（如钛合金和铝合金）中的应力松弛，可以缓解这种弹簧回弹。应力松弛是指在高温下，内部应力随时间逐渐衰减，而总应变保持不变的现象。由于其重要的工程应用，已经投入了相当多的研究工作来探索应力松弛机制，这些机制可以根据应力指数值（n）通常分为三类：扩散蠕变、同时扩散和位错爬升以及单一位错爬升。然而，根据上述机制，增加温度或松弛时间成为减少弹簧回弹的常用方法，但这通常需要耗费能量和时间。钛合金的应力松弛温度范围为500到800℃，松弛时间通常超过60分钟。此外，增加温度或松弛时间会导致钛合金在该温度范围内明显失去强度（约为7.7%），这是由于扩散增强。因此，需要新的机制来加速钛合金的应力松弛，而不损失其强度。

时效处理是钛合金的一种标准热处理方法，其温度接近于应力松弛的温度。如果能够将应力松弛和时效结合起来，可能解决钛合金应力松弛过程中的强度损失问题。最近，已经在其他合金中开发了同时进行应力松弛和时效处理的方法，例如铝合金，在这种方法中，通过预变形产生的位错为T1前驱体析出物提供成核位点，从而降低应力松弛极限并提高机械性能。铝合金的应力松弛和时效强化主要由位错和沉淀物之间的相互作用决定。受到铝合金的启发，近α或α+β钛合金中的亚稳态βt（转变β）可以在应力松弛与同步时效过程中分解为β相和αs（次生α），从而有效地增强钛合金。βt的显微组织包括残留的β相和一些层片状α，在钛合金的两相区溶液热处理后通过水淬获得。然而，尚未报道相变与应力松弛之间的相互作用对应力松弛极限和机械性能的影响。

哈尔滨工业大学团队提出了一种应力松弛与同步时效相结合的方法，以同时加速应力松弛并提高钛合金的机械强度。有趣的是，在本文中观察到了应力松弛与同步时效过程中钛合金的孪晶形成。大多数研究都关注孪晶对机械性能的影响，很少将其报告为应力松弛机制之一。与这些研究不同的是，在本研究中发现，应力诱导的孪晶在加速应力松弛的同时保持高强度起到重要作用。此外，αs相的形成也有助于同时加速应力松弛和提高强度，通过研究微观结构演变和应力松弛之间的相互作用进行验证。

采用由宝钛股份有限公司提供的TA15钛合金（Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1 V）板材，平均厚度为1.80mm。初始板材的显微组织由精细的等轴α相和少量β相组成。应力松弛测试样品沿轧制方向加工。工艺路线示意图如图1所示。溶液处理温度为950℃，时间为1800秒，随后进行水淬，样品标记为ST。溶液处理后进行静态时效处理，温度为600℃，时间为7200秒，然后进行空冷，样品标记为ST-AGE。应力松弛试验在600℃下进行，时间为7200秒（图1(a)和(b)）。应力松弛测试后的溶液处理样品标记为ST-SR，应力松弛测试后的时效样品标记为AGE-SR。应力松弛和拉伸测试使用带有加热炉的Shimadzu AGXplus电子万能试验机进行，温度误差为±3℃。应力松弛和拉伸测试的加载应变速率为0.001 s^(-1)。所有测试均至少重复三次以确保可重复性。相关研究成果以题“Accelerated stress relaxation with simultaneously enhanced strength of titanium alloy by phase transformation and stress-induced twinning”发表在《Scripta Materialia》上。

图1. 应力松弛测试的处理路线示意图。（a）ST-AGE和AGE-SR路线；（b）ST-SR路线。

图2. 归一化应力松弛曲线和拉伸应力-应变曲线。(a) 600℃下的应力松弛曲线；(b) 室温和500℃下初态、ST-AGE和ST-SR样品的工程应力-应变曲线；(c) 初态、ST-AGE和ST-SR样品室温下的拉伸强度随时间的演变；(d) 不同钛合金的拉伸强度-延伸性能对比。

图3. 应力松弛前后的显微结构的透射电子显微镜（TEM）表征。（a）∼（c）ST样品在经历0、150和7200秒老化后的显微结构；（d）应力松弛150秒后的ST样品的显微结构；（e）（d）中双晶的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像；（f）αp中的位错阵列；（g）αs的断裂，（h）应力松弛7200秒后ST样品中的双晶和（i）αp中的位错；（j）?（l）经过应力松弛7200秒的老化样品的显微结构。

图4. AGE-SR和ST-SR样品的活化能随弛豫时间演变的情况（a），以及应力指数值（b）。 

图5. 钛合金在同步时效过程中的应力松弛机制。（a）应力松弛过程中机制的演变；（b?d）βt→β + αs相变过程中晶格的演变。

在同步时效过程中，应力松弛过程中的另一个加速机制是应力诱导析晶。这些孪晶释放了αs中被抑制的弹性能量，从而使施加在孪晶尖端上的应力集中。这种内部应力引起孪晶中的局部塑性变形，从而降低应力。在缓慢松弛阶段，从图2(a)可以看出两条应力松弛曲线是平行的，这意味着机制是相同的。根据图4(b)中的应力指数和图3(i)和(l)中的显微结构表征，主要机制是αp中的位错运动伴随着αs的断裂。

片状αs的析出是提高钛合金机械性能的主要途径之一，如图2(b)、图3(d)和(g)所示。此外，在应力松弛过程中产生了大量的位错纠缠，起到位错强化的作用，如图3(i)所示。此外，孪晶也出现在αs相中，如图3(e)和(h)所示。这种孪晶的形成也可以增加钛合金的工作硬化，提高其强度。因此，强化机制包括析出强化、位错强化和孪晶强化。由于应力加速相变，ST-SR样品在1800秒时的强度比静态时效样品高，而在应力松弛的后期αs的生长和断裂导致静态时效样品在5400秒后略微更高。因此，通过考虑应力松弛极限和强度，应力松弛和时效时间可以从7200秒减少到约1800秒。

总之，应力松弛与同步时效显著降低了TA15钛合金的应力松弛极限。同时，ST-SR样品在室温和使用温度下的抗拉强度分别提高了3.4%和9.2%。相变和应力诱导的孪晶是早期加速应力松弛的主要机制。在缓慢松弛阶段，主要机制是αp中的位错运动伴随着αs的断裂。主要的强化机制包括析出强化、位错强化和孪晶强化。