CN109709120A

CN109709120A - 预制变形纯钛的散斑制备方法及纯钛的退孪晶表征方法

Info

Publication number: CN109709120A
Application number: CN201910043753.3A
Authority: CN
Inventors: 关新兴; 卢磊; 罗胜年
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2019-01-17
Filing date: 2019-01-17
Publication date: 2019-05-03
Anticipated expiration: 2039-01-17
Also published as: CN109709120B

Abstract

本发明公开了一种预制变形纯钛的散斑制备方法及纯钛的退孪晶表征方法。该及纯钛的退孪晶表征方法包括以下步骤：(1)制备具有孪晶的预制变形纯钛；(2)在所述预制变形纯钛表面制备特征散斑，然后进行EBSD表征；(3)制备退孪晶变形纯钛；(4)对退孪晶纯钛进行EBSD表征；其中，步骤(2)中采用电解池，预制变形纯钛为阳极，电解液包括高氯酸和甲醇，电压为15～19V，电流为0.85～1.15A，电解时间为2～4min，电解液温度为‑31°～‑35°。本发明通过电化学溶解现象来制备特征散斑，未采用其它异于纯钛的散斑材料，降低散斑材料对EBSD表征的影响。其次，特征散斑在退孪晶前后可以同时满足EBSD表征和DIC分析，有利于更深层次的研究孪晶机制和退孪晶机制。

Description

预制变形纯钛的散斑制备方法及纯钛的退孪晶表征方法

技术领域

本发明涉及孪晶表征的技术领域，具体而言，涉及预制变形纯钛的散斑制备方法及纯钛的退孪晶表征方法。

背景技术

工业纯钛因具有低密度、高强度、良好的耐腐蚀性和生物相容性等性能在航空航天、船舶、石油化工和生物医学等领域得到广泛的应用，在国防和国民经济领域占据重要地位。室温下纯钛为密排六方结构，低对称性的晶体结构使得其室温下独立滑移系数量较少，{0002}(11-20)基面滑移和{10-10}(11-20)柱面滑移可分别为纯钛塑性变形贡献2个独立滑移系，Von-Mises准则指出实现任意塑性变形需要启动5个独立滑移系，而基面和柱面滑移仅能提供4个独立滑移系，因此需借助孪晶来实现纯钛的塑性变形。

纯钛在服役过程中常受到循环载荷或加卸载作用而发生复杂的塑性变形，变形过程中伴随变形孪晶的形成和退去，即孪晶和退孪晶过程。目前纯钛孪晶过程的研究已经取得了可观的成果，而有关纯钛退孪晶过程的研究较少，充分研究纯钛退孪晶过程及变形机制有助于其在复杂环境更好地服役。

近年来，基于扫描电镜(Scanning Electron Microscope，SEM)的电子背散射衍射(Electron Back-scattered Diffraction，EBSD)与数字图像相关(Digital ImageCorrelation，DIC)相结合的技术已被较多地用于研究金属材料的变形损伤。为进行EBSD表征，首先去除试样表面的变形层获得光滑的试样表面，随后运用气相沉积的方法使试样表面随机附着微小颗粒，形成特征散斑。使用SEM采集试样变形过程中的表面形貌，得到不同应变下具有特征散斑的SEM照片，通过DIC方法追踪SEM照片中的特征散斑可计算出试样变形的应变场分布。这一技术同时实现了EBSD表征和应变场测量，直观地建立微观尺度的晶格变形和细观尺寸的应变场间的联系，提供了更加丰富的实验数据，受到科研人员的广泛关注。但由于特征散斑由试样表面的微小颗粒构成，一定程度上降低了EBSD花样标定率。

针对纯钛的退孪晶变形，需首先使纯钛发生塑性变形制备出变形孪晶，进而研究载荷作用下预制变形孪晶的纯钛的退孪晶变形特点。由于预制变形孪晶的纯钛试样内部积累了大量的塑性变形，EBSD表征难度有所增加，如进一步在预制孪晶的纯钛试样表面附着微小颗粒，则有可能大幅降低EBSD花样标定率。

发明内容

本发明的主要目的在于提供预制变形纯钛的散斑制备方法及纯钛的退孪晶表征方法，以解决现有技术中纯钛的退孪晶变形的EBSD花样标定率低的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种预制变形纯钛的散斑制备方法。该预制变形纯钛的散斑制备方法包括以下步骤：

(1)制备具有孪晶的预制变形纯钛；

(2)在所述预制变形纯钛表面制备特征散斑，然后进行EBSD表征；

其中，步骤(2)中采用电解池，预制变形纯钛为阳极，电解液包括高氯酸和甲醇，电压为15～19V，电流为0.85～1.15A，电解时间为2～4min，电解液温度为-31°～-35°。

首先，本发明的预制变形纯钛的散斑制备方法通过电解液中阳极的电化学溶解现象来使得预制变形纯钛表面选择性溶解从而形成具有一定粗糙度的特征散斑，未采用其它异于纯钛的散斑材料，降低散斑材料对EBSD表征的影响。其次，本发明工艺简单，采用上述电解参数得到的预制变形纯钛表面的特征散斑可以满足EBSD表征，有利于更深层次的研究孪晶机制。

进一步地，阴极采用铜、钛、不锈钢或Ni-Ti合金。由此，更加容易获得高EBSD花样标定率的特征散斑。

进一步地，所述电压为16～18V。进一步地，所述电压为16V。当电压过低时，难以形成特征散斑；当电压过高时，会因过度溶解而降低EBSD花样标定率。由此，当所述电压为16～18V时，所得特征散斑不仅尺寸适宜、EBSD花样标定率，而且散斑质量好，DIC计算所得的应变值误差较小。

进一步地，所述电流为0.85～0.95A。当电流过低时，难以形成特征散斑；当电流过高时，会因过度溶解而降低EBSD花样标定率。由此，当所述电流为0.85～0.95A，所得特征散斑不仅尺寸适宜、EBSD花样标定率，而且散斑质量好，DIC计算所得的应变值误差较小。

进一步地，所述电解液温度为-32°。由此，所得特征散斑不仅尺寸适宜、EBSD花样标定率，而且散斑质量好，DIC计算所得的应变值误差较小。

进一步地，所述电解时间为3min。由此，所得特征散斑不仅尺寸适宜、EBSD花样标定率，而且散斑质量好，DIC计算所得的应变值误差较小。

进一步地，所述电解液由高氯酸和甲醇构成，高氯酸与甲醇的体积比为1:(8～10)。纯钛暴露于空气或水溶液中表面容易快速形成一层几纳米厚的TiO₂致密氧化膜。该氧化膜化学性稳定，在不同环境下起到防腐层的效果且在电解抛光过程中减慢了电解效率。高氯酸对纯钛表面的氧化膜具有较强的渗透性，可以有效分离基体金属表面的氧化膜，提高电解效率；甲醇是去除TiO₂的最有效稳定剂之一。当高氯酸与甲醇的体积比为1:(8～10)时，电解效率高，所得特征散斑尺寸适宜且EBSD花样标定率。

进一步地，原始样品纯钛的晶粒粒径为40～60μm。由此，所得特征散斑不仅尺寸适宜、EBSD花样标定率，而且散斑质量好，DIC计算所得的应变值误差较小。

进一步地，步骤(1)通过对原始样品纯钛进行压缩加载得到所述预制变形纯钛；所述原始样品纯钛发生的工程应变为0.08～0.1，压缩应变率为10^-3s^-1。由此，可以激发出适量的孪晶，部分孪晶呈透镜状，部分孪晶生长显著并占据母体晶粒大部分区域。

为了实现上述目的，根据本发明的另一个方面，提供了一种纯钛的退孪晶表征方法。该纯钛的退孪晶表征方法包括以下步骤：

(1)采用上述方法对原始样品纯钛进行处理；

(2)制备退孪晶变形纯钛；

(3)对退孪晶纯钛进行EBSD表征；

首先，本发明的纯钛的退孪晶表征方法通过电解液中阳极的电化学溶解现象来使得预制变形纯钛表面选择性溶解从而形成具有一定粗糙度的特征散斑，未采用其它异于纯钛的散斑材料，降低散斑材料对EBSD表征的影响。其次，本发明工艺简单，采用上述电解参数得到的预制变形纯钛表面的特征散斑在退孪晶前后可以同时满足EBSD表征和DIC分析，有利于更深层次的研究孪晶机制和退孪晶机制。

进一步地，步骤(2)通过对预制变形纯钛进行拉伸加载得到所述退孪晶变形纯钛；所述预制变形纯钛发生的工程应变为0.02～0.04，拉伸应变率为10^-3s^-1。由此，确保退孪晶变形，孪晶面积大幅减小，形态较大的孪晶侧向变窄，部分形态较小的孪晶完全退去，也表明纯钛的变形孪晶在一定程度上具有可逆性。

可见，本发明的预制变形纯钛的散斑制备方法的工艺简单，通过电解液中阳极的电化学溶解现象来使得预制变形纯钛表面选择性溶解从而形成具有一定粗糙度的特征散斑，一来未采用其它异于纯钛的散斑材料，降低散斑材料对EBSD表征的影响，二来所得特征散斑在退孪晶前后可以同时满足EBSD表征和DIC分析，有利于更深层次的研究孪晶机制和退孪晶机制。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为实施例1的电解后的预制变形纯钛的SEM照片。

图2为实施例2的电解后的预制变形纯钛的SEM照片。

图3为实施例4的电解后的预制变形纯钛的SEM照片。

图4为实施例5的电解后的预制变形纯钛的SEM照片。

图5为实施例4的电解后的预制变形纯钛的EBSD取向图。

图6为实施例5的电解后的预制变形纯钛的EBSD取向图

图7为实施例7的电解后的预制变形纯钛的SEM照片。

图8为实施例8的电解后的预制变形纯钛的SEM照片。

图9为实施例9的电解后的预制变形纯钛的SEM照片。

图10为实施例8的电解后的预制变形纯钛的EBSD取向图。

图11为实施例9的电解后的预制变形纯钛的EBSD取向图

图12为实施例8的用完全相同的方式对电解后的预制变形纯钛SEM照片和发生拉伸应变后的退孪晶变形纯钛SEM照片进行DIC处理得到的格林-拉格朗日E_xx应变场图。

图13为实施例4的用完全相同的方式对电解后的预制变形纯钛SEM照片和发生拉伸应变后的退孪晶变形纯钛SEM照片进行DIC处理得到的格林-拉格朗日E_xx应变场图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：

本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。

此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。术语“EBSD花样标定率”是指样品表面EBSD表征区域可解析部分占整体表征区域的比例。

关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

本发明的预制变形纯钛的散斑制备方法，包括以下步骤：

(1)制备具有孪晶的预制变形纯钛；

通过对原始样品纯钛进行压缩加载得到所述预制变形纯钛；所述原始样品纯钛发生的工程应变为0.08～0.1，压缩应变率为10^-3s^-1。原始样品纯钛的晶粒粒径为40～60μm。

采用电解池，预制变形纯钛为阳极，阴极采用铜、钛、不锈钢或Ni-Ti合金，由高氯酸和甲醇构成，高氯酸与甲醇的体积比为1:(8～10)，电压为15～19V，电流为0.85～1.15A，电解时间为2～4min，电解液温度为-31°～-35°。

以下通过实施例1～22来说明本发明预制变形纯钛的散斑制备方法的有益效果。

实施例1的电压为12V，实施例2的电压为14V，实施例3的电压为15V，实施例4的电压为16V，实施例5的电压为18V，实施例6的电压为19V。实施例1～6的其它参数均如下：所述原始样品纯钛发生的工程应变为0.09，原始样品纯钛的晶粒粒径为50μm，阴极采用铜，高氯酸与甲醇的体积比为1:9，电流为0.95～1.05A，电解时间为3min，电解液温度为-32°。

实施例1～6的表征结果如下：

实施例1的电解后的预制变形纯钛的SEM照片如图1所示，从图1可以看出，电解后的预制变形纯钛的表面十分光滑，不同区域的图像灰度值几乎相同，说明预制变形纯钛的表面未生成特征散斑。实施例2的电解后的预制变形纯钛的SEM照片如图2所示，从图2可以看出电解后的预制变形纯钛的表面的粗糙度增加，少量区域的图像灰度值与周围呈现明显差异，表现为明暗相间，DIC方法中将这种结构称为特征散斑，但由于图2中特征散斑尺寸较大且数量较少，SEM照片难以进行DIC计算。图3和图4分别为实施例4和实施例5的电解后的预制变形纯钛的SEM照片，可见，随着电压的增加，散斑数量显著提升。图5和图6分别为实施例4和实施例5的电解后的预制变形纯钛的EBSD取向图(未进行去噪和迭代处理)，实施例5的EBSD花样标定率为98％，实施例6的EBSD花样标定率为90％，可见，随着电压增高，散斑质量下降，EBSD花样标定率降低。综上，电解电压优选为16～18V，所得特征散斑尺寸适宜、散斑质量好，EBSD花样标定率高。最为优选的电压是16V。

实施例7的电流为0.75～0.85A，实施例8的电流为0.85～0.95A，实施例9的电流为1.05～1.15A。实施例7～9的其它参数均如下：所述原始样品纯钛发生的工程应变为0.09，原始样品纯钛的晶粒粒径为50μm，阴极采用铜，高氯酸与甲醇的体积比为1:9，电压为16V，电解时间为3min，电解液温度为-32°。

实施例7～9的表征结果如下：

图7～9分别为实施例7～9的电解后的预制变形纯钛的SEM照片。从图7可以看出，电解后的预制变形纯钛表面较光滑，无特征散斑。对比图3、图7～9可知，随着电流的增大，电解后的预制变形纯钛表面均呈现出大量的特征散斑，SEM照片均可用于DIC计算。图10和图11分别为实施例8和实施例9的电解后的预制变形纯钛的EBSD取向图。由EBSD表征(图10、图5和图11)可知，实施例8、实施例4和实施例9的电解后的预制变形纯钛的EBSD花样标定率分别为96％、98％和82％，由此可知，特征散斑过多会严重影响EBSD花样标定率。综上，电解电流优选为0.85～1.05A，所得特征散斑尺寸适宜、散斑质量好，EBSD花样标定率高。

实施例10的高氯酸与甲醇的体积比为1:8，实施例11的高氯酸与甲醇的体积比为1:10。实施例10～11的其它参数均如下：所述原始样品纯钛发生的工程应变为0.09，原始样品纯钛的晶粒粒径为50μm，阴极采用铜，电压为16V，电流为0.85～0.95A，电解时间为3min，电解液温度为-32°。对比实施例8和实施例10～11可知，当高氯酸与甲醇的体积比为1:9时，对应的实施例8具有最好的电解效率，且所得特征散斑尺寸适宜、散斑质量好，EBSD花样标定率高。

实施例12的原始样品纯钛发生的工程应变为0.08，实施例13的原始样品纯钛发生的工程应变为0.1。实施例12～13的其它参数均如下：原始样品纯钛的晶粒粒径为50μm，阴极采用铜，高氯酸与甲醇的体积比为1:9，电压为16V，电流为0.85～0.95A，电解时间为3min，电解液温度为-32°。对比实施例8和实施例12～13可知，当原始样品纯钛发生的工程应变为0.09时，对应的实施例8具有最适量的孪晶。

实施例14的电解时间为2min，实施例15的电解时间为4min。实施例14～15的其它参数均如下：原始样品纯钛发生的工程应变为0.09，原始样品纯钛的晶粒粒径为50μm，阴极采用铜，高氯酸与甲醇的体积比为1:9，电压为16V，电流为0.85～0.95A，电解液温度为-32°。对比实施例8和实施例14～15可知，当电解时间为3min时，对应的实施例8具有最好的电解效率，且所得特征散斑尺寸适宜、散斑质量好，EBSD花样标定率高。

实施例16的电解液温度为-31°，实施例17的电解液温度为-33°，实施例18的电解液温度为-34°，实施例19的电解液温度为-35°。实施例16～19的其它参数均如下：原始样品纯钛发生的工程应变为0.09，原始样品纯钛的晶粒粒径为50μm，阴极采用铜，高氯酸与甲醇的体积比为1:9，电压为16V，电流为0.85～0.95A，电解时间为3min。对比实施例8和实施例16～19可知，当电解液温度为-32°时，对应的实施例8具有最好的电解效率，且所得特征散斑尺寸适宜、散斑质量好，EBSD花样标定率高。

实施例20～22的阴极分别为钛、316不锈钢或Ni-Ti合金，其余参数与实施例8相同。经验证，与实施例8相同，实施例20～22所得特征散斑尺寸适宜、散斑质量好，EBSD花样标定率高。

综上，最为优选的电解条件是：高氯酸与甲醇的体积比为1:9，电压16V，电流0.85～1.05A，电解时间为3min，电解液温度为-32°。

本发明的纯钛的退孪晶表征方法，包括以下步骤：

(1)制备具有孪晶的预制变形纯钛；

通过对原始样品纯钛进行压缩加载得到所述预制变形纯钛；所述原始样品纯钛发生的工程应变为0.09，压缩应变率为10^-3s^-1。原始样品纯钛的晶粒粒径为50μm。

采用电解池，预制变形纯钛为阳极，阴极采用铜，由高氯酸和甲醇构成，高氯酸与甲醇的体积比为1:9，电压为16V，电流为0.85～1.05A，电解时间为3min，电解液温度为-32°。

(3)制备退孪晶变形纯钛；

通过对预制变形纯钛进行拉伸加载得到所述退孪晶变形纯钛；所述预制变形纯钛发生的工程应变为0.02～0.04，拉伸应变率为10^-3s^-1。

(4)对退孪晶纯钛进行EBSD表征。

以下通过具体的实施例来说明本发明纯钛的退孪晶表征方法的有益效果。

首先，在实施例1-22的基础上增设步骤(3)和步骤(4)，其中，步骤4中的所述预制变形纯钛发生的工程应变为0.03。经验证，实施例3～6、实施例8～22的步骤(2)和步骤(4)所得的SEM照片均可用于预制变形纯钛退孪晶前后的DIC计算。

例如，实施例8的电流为0.85～0.95A，实施例4的电流为0.95～1.05A，其余参数：所述预制变形纯钛发生的工程应变为0.03。前述可知，实施例8和实施例4的预制变形纯钛的EBSD花样标定率均较高。图12和图13分别为实施例8和实施例4的用完全相同的方式对电解后的预制变形纯钛SEM照片和发生拉伸应变后的退孪晶变形纯钛SEM照片进行DIC处理得到的格林-拉格朗日E_xx应变场图。从图12和图13可以看出，图13中有大量白色区域，这是由于SEM照片中的特征散斑质量较差，在进行DIC处理时，该处的图像相关性较大，计算所得的应变值误差较大，故过滤该处的应变场；图12中应变场分布连续，无白色区域，相关性较好，可见，实施例8的DIC处理效果明显优于实施例4的DIC处理效果，表明实施例8的特征散斑质量较高。

实施例23的预制变形纯钛发生的工程应变为0.02，实施例24的预制变形纯钛发生的工程应变为0.04。实施例23～24的其它参数均如下：原始样品纯钛发生的工程应变为0.09，原始样品纯钛的晶粒粒径为50μm，阴极采用铜，高氯酸与甲醇的体积比为1:9，电压为16V，电流为0.85～0.95A，电解时间为3min，电解液温度为-32°。对比实施例8和实施例23～24可知，当所述预制变形纯钛发生的工程应变为0.03时，对应的实施例8孪晶面积大幅减小，形态较大的孪晶侧向变窄，部分形态较小的孪晶完全退去。

实施例1～24的原始样品纯钛的为工业纯钛板材，其元素组分钛、铁、氧、碳的质量分数分别为99.6％、0.3％、0.06％和0.1％。

上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

Claims

1.预制变形纯钛的散斑制备方法，包括以下步骤：

(1)制备具有孪晶的预制变形纯钛；

2.如权利要求1所述的预制变形纯钛的散斑制备方法，其特征在于：阴极采用铜、钛、不锈钢或Ni-Ti合金。

3.如权利要求1所述的预制变形纯钛的散斑制备方法，其特征在于：所述电压为16V～18V。

4.如权利要求1所述的预制变形纯钛的散斑制备方法，其特征在于：所述电流为0.85～0.95A。

5.如权利要求1所述的预制变形纯钛的散斑制备方法，其特征在于：所述电解液温度为-32°；所述电解时间为3min。

6.如权利要求1所述的预制变形纯钛的散斑制备方法，其特征在于：所述电解液由高氯酸和甲醇构成，高氯酸与甲醇的体积比为1:(8～10)。

7.如权利要求1所述的预制变形纯钛的散斑制备方法，其特征在于：原始样品纯钛的晶粒粒径为40～60μm。

8.如权利要求1所述的预制变形纯钛的散斑制备方法，其特征在于：步骤(1)通过对原始样品纯钛进行压缩加载得到所述预制变形纯钛；所述原始样品纯钛发生的工程应变为0.08～0.1，压缩应变率为10^-3s^-1。

9.纯钛的退孪晶表征方法，包括以下步骤：

(1)采用权利要求1～8之一所述的方法对原始样品纯钛进行处理；

(2)制备退孪晶变形纯钛；

(3)对退孪晶纯钛进行EBSD表征。

10.如权利要求9所述的纯钛的退孪晶表征方法，其特征在于：步骤(2)通过对预制变形纯钛进行拉伸加载得到所述退孪晶变形纯钛；所述预制变形纯钛发生的工程应变为0.02～0.04，拉伸应变率为10^-3s^-1。