Tesis:
Tuning the mechanical properties of metastable beta titanium alloys through the control of microstructure and deformation mechanisms
- Autor: CHEN, Nana
- Título: Tuning the mechanical properties of metastable beta titanium alloys through the control of microstructure and deformation mechanisms
- Fecha: 2022
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS
- Departamentos: CIENCIA DE LOS MATERIALES
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/70158/
- Director/a 1º: MOLINA ALDAREGUIA, Jon Mikel
- Resumen: Metastable β-Ti alloys have been widely used as structural components in aerospace applications, due to their merits of deep hardenability, ease of processability, excellent damage tolerance and strength - ductility combinations. Despite their advantages, the most challenging aspect of this type of alloys is that they are extremely sensitive to microstructure and thermomechanical processing history, especially with respect to the ductility at high strength levels. A lack of sufficient strain-hardening and a relatively low ductility impede the use of metastable β-Ti alloys in advanced structural applications, where superior combinations of strength and ductility are required. Therefore, the main aim of this thesis is to investigate the relationship amongst microstructure, mechanical properties, and underlying deformation mechanisms, all of which play a decisive role in designing ultrahigh strength β-Ti alloys. For this, firstly the bimodal microstructure of a metastable β Ti-7Mo-3Nb-3Cr-3Al (Ti-7333) alloy was successfully tuned through various thermomechanical processing steps. The huge variation in mechanical properties results from the interplay between different deformation mechanisms controlled by the size, distribution, morphology, volume fraction and orientation relationship (OR) of different types of α phase, including primary α (αP), secondary α (αS) and grain boundary α (αGB). The strength of bimodal Ti-7333 is mainly governed by secondary αS precipitation through the introduction of a high density of α/β interfaces that effectively block dislocation transmission. However, ductility is tuned through the control of the primary αP, rod-like αr and retained β phases, and can be extremely deteriorated if the formation of a continuous grain boundary αCGB layer is not prevented. The plastic deformation is dominated by dislocation slip and tangling, whereas the microstructural sensitivity that accelerates at high strength levels is originated from the deformation incompatibility between the fine acicular αS and the parent β phase. Secondly, the deformation mechanisms of the β phase during straining were investigated. The predominant deformation mechanisms for the Ti-7333 alloy with a fully-β microstructure are stress-induced α″ martensitic (SIM α″) phase transformations and SIM α″ twinning. As strain increases, the deformed microstructures evolve from a single band morphology to a complex morphology of intersecting deformation bands, due to the activation of {130}<130>α″ twins, {111}α″ type I twins and nanoscale secondary α″ twins. The selection of the lattice correspondent SIM α″ variant is determined by the one that provides the “maximum transformation strain” in the tensile direction. The prevalence of {130}<310>α″ compound twinning is associated with the comparatively small shear (0.1872) and the simple shuffle mechanism (q=2, ΔIa=0.3257 Å) involved, when compared to other possible twinning systems. Moreover, the first direct evidence of reversion martensitic transformation of the {130}<310>α″ compound twins into {332}<113>β twins was observed and rationalized, which undisputedly reveals the origin of this peculiar twinning mode that prevails in metastable β-Ti alloys. Finally, a high-strength and high-ductility strain-transformable microstructure was successfully designed by the introduction of ~28% α precipitates in the same metastable β-Ti Ti-7333 alloy. The designed lamellar microstructure was predominantly deformed by SIM α" transformation, SIM α" twinning and dislocation slip of the parent β grains and α laths. The β→α" transformation followed the [113]β//[112]α"//[-310]α"//[1-21]α" orientation relationship, with the {133}β habit plane. A novel martensitic <211>α" type II twinning mode was also found, in addition to the {111}α" type I mode at the SIM α"/α impinging regions. The α precipitates not only play a role on precipitation strengthening, but they can also effectively block SIM α" propagation at the initial stages of deformation, whereas apparent SIM α" transmission across the α laths was observed at large strains. Moreover, pyramidal slip and shear of the α laths also contribute to the accommodation of internal stresses. The origin of the enhanced tensile mechanical properties was attributed to the combined effects of α precipitation strengthening coupled with the TRIP softening effect. This work provides a comprehensive investigation on the interplay between microstructure, tensile properties and deformation mechanisms, which may shed light for the design of novel high-performance metastable β-Ti alloys. ----------RESUMEN---------- Las aleaciones metaestables de β-Ti se han utilizado ampliamente como componentes estructurales en aplicaciones aeroespaciales, debido a su elevada templabilidad, facilidad de procesamiento, excelente tolerancia al daño y buena combinación de resistencia y ductilidad. A pesar de sus ventajas, el aspecto más desafiante de este tipo de aleaciones es que son extremadamente sensibles a la microestructura y al historial de procesamiento termomecánico, especialmente con respecto a la ductilidad a alta resistencia. En este contexto, la falta de un endurecimiento por deformación suficiente y una ductilidad relativamente baja impiden el uso de las aleaciones metaestables de β-Ti en aplicaciones estructurales avanzadas, donde se requiere una buena combinación de resistencia y ductilidad. El objetivo principal de esta tesis doctoral es investigar la relación entre la microestructura, las propiedades mecánicas y los mecanismos de deformación subyacentes, que juegan un papel decisivo en el diseño de aleaciones de β-Ti de ultra alta resistencia. Para ello, en primer lugar, se ajustó con éxito la microestructura bimodal de la aleación metaestable β Ti-7Mo-3Nb-3Cr-3Al (Ti-7333) a través de varios pasos de procesamiento termomecánico. La enorme variación en las propiedades mecánicas obtenida resulta de la interacción entre diferentes mecanismos de deformación controlados por el tamaño, distribución, morfología, fracción en volumen y relación de orientación (OR) de diferentes tipos de fase α, incluyendo α primaria (αP), α secundaria (αS) y fase α (αGB) de frontera de grano. Se determinó que la resistencia del Ti-7333 bimodal se rige principalmente por la precipitación secundaria de la fase αS debido a la introducción de una alta densidad de intercaras α/β que bloquean eficazmente la transmisión de dislocaciones. Sin embargo, la ductilidad se ajusta mediante el control de las fases αP primaria, αr de forma cilíndrica y β retenida, y puede deteriorarse extremadamente si no se evita la formación de una capa continua de fase αCGB en las fronteras de grano. La deformación plástica de la microestructura bimodal está controlada por el deslizamiento e interacción de las dislocaciones, mientras que la sensibilidad microestructural, que se acentúa a altos niveles de resistencia, se origina por la incompatibilidad de deformación entre las fases αS aciculares y β primaria. En segundo lugar, se investigaron los mecanismos de deformación de la fase β en función de la deformación. Los mecanismos de deformación predominantes para la aleación Ti-7333 formada sólo por fase β son la transformación martensítica inducida por tensión (SIM α") y el maclado de la fase SIM α". A medida que aumenta la deformación, las microestructuras deformadas evolucionan de una morfología de banda única a una morfología compleja de bandas de deformación que se cruzan, debido a la activación de maclas compuestas tipo {130}<130>α", maclas {111}α" de tipo I y maclas secundarias nanométricas de α". Se encontró que la selección de la variante de macla α" predominante corresponde a aquella que proporciona la “deformación máxima de transformación” en la dirección de tracción. También se concluyó que la prevalencia del maclado compuesto {130}<310>α" se debe a que involucra una deformación a cortadura pequeña (0.1872) y un movimiento de átomos simple (q=2, ΔIa=0.3257 Å), en comparación con otros posibles sistemas de maclado. Además, se observó la primera evidencia directa de reversión de la transformación martensítica de maclas compuestas {130}<310>α" en maclas {332}<113>β, lo que permitió comprender el origen de este peculiar modo de maclado que prevalece en algunas aleaciones metaestables de β-Ti. Finalmente, se diseñó con éxito una microestructura transformable por deformación con elevada resistencia y ductilidad mediante la introducción de un ~ 28% de precipitados de fase α en forma de lajas en la misma aleación metaestable β-Ti Ti-7333. Se encontró que la microestructura laminar resultante se deforma predominantemente por transformación martensítica inducida por tensión (SIM α "), maclado de la fase SIM α" y deslizamiento de dislocaciones en los granos primarios de β y las lajas de α. La transformación β → α" sigue la relación de orientación[113]β//[112]α"//[-310]α"//[1-21]α", con plano de hábito tipo {133}β. También se encontró un nuevo modo de maclado martensítico <211>α" de tipo II, además del modo {111}α" de tipo I, en la región de incidencia entre las fases SIM α"/α. Los precipitados de fase α no solo desempeñan un importante papel de endurecimiento por precipitación, sino que también pueden bloquear eficazmente la propagación de SIM α" en las etapas iniciales de deformación, mientras que a grandes deformaciones se observó la transmisión aparente de bandas de SIM α" a través de las lajas de fase α. Además, el deslizamiento piramidal y el cizallamiento de las lajas de α también contribuyen al relajamiento de las tensiones internas. El origen de las elevadas propiedades a tracción se atribuyó al efecto combinado de endurecimiento por precipitación de la fase α y ablandamiento por efecto TRIP. Este trabajo proporciona una investigación exhaustiva sobre la interacción entre microestructura, comportamiento mecánico a tracción y mecanismos de deformación, que puede arrojar luz para el diseño de nuevas aleaciones metaestables de β-Ti de altas prestaciones.