鈦合金具有優異的綜合性能，應用于航空發動機葉片的制造[1,2]。航空發動機葉片工作環境惡劣，疲勞性能是制約其能否長期服役的關鍵力學性能，而殘余應力是影響葉片疲勞性能的重要因素[3,4]。工程上已有若干改善葉片殘余應力的方法[5,6,7]。脈沖磁場處理通過調整殘余應力為改善材料結構使用性能提供了一條新的途徑。雖然已有若干關于脈沖磁場對改善鐵磁性結構材料的殘余應力的報道[8,9,10,11,12,13]，但目前鮮有利用脈沖磁場改變鈦合金等非鐵磁性金屬材料殘余應力的報道，本工作對此進行了嘗試，發現脈沖磁場可一定程度上改變TC4鈦合金殘余應力的狀態。

已有研究中，認為脈沖磁場引起的材料內部位錯運動是其殘余應力改變的一個重要原因，文獻[10,12,13]研究了脈沖磁場對低碳鋼殘余應力的影響，認為脈沖磁場引起磁致振動使得位錯運動，從而降低殘余應力。文獻[8]測量了脈沖磁場下低碳鋼試樣表面的應變，認為磁致振動的應力幅度停留在彈性區，不足以引起位錯運動，解釋其運動應采用其它機理。文獻[9,11,14]認為，磁致塑性效應是鐵基材料在脈沖磁場作用下位錯運動的主要原因。磁致塑性是在磁場作用下，晶體材料中包含缺陷的亞穩態結構發生復雜多級過程的現象[15]，多級過程具體表征為電子自旋能態改變、點缺陷移動及位錯重新分布。非金屬材料(如NaCl、LiF、CsI等)的磁致塑性研究有若干報道[16,17,18]。文獻[19,20,21,22,23,24]報道了脈沖磁場引起非鐵磁性金屬材料(如Al、Mg-7Zn等)位錯的運動，也以磁致塑性效應作為解釋。本工作對脈沖磁場處理前后的TC4鈦合金試樣的同一微區進行觀察，發現經脈沖磁場處理后，TC4鈦合金的位錯密度及晶界角度有了顯著的變化，討論了脈沖磁場對TC4鈦合金微觀組織影響的可能原因。本工作對晶體磁致塑性的機理研究提供了有益補充，同時為改善如TC4鈦合金的非鐵磁性金屬材料的殘余應力提供了可能的新方法。

實驗材料選取TC4鈦合金葉輪坯料，原始尺寸為直徑200 mm×30 mm，利用快走絲線切割取坯料底面中心附近材料，將其加工成5 mm×5 mm×6 mm的試樣若干，其中5 mm×5 mm面為測試面，磨拋至鏡面。使用本課題組自制的磁化器[9]對磨拋后的TC4鈦合金試樣進行脈沖磁場處理，處理參數為：磁感應強度 B=2 T，脈沖頻率f=5 Hz，脈沖次數為100次。使用$\mathrm{\mu }$-X360s X射線殘余應力檢測儀對脈沖磁場處理前后的TC4鈦合金試樣的測試面進行殘余應力測試，實驗測試4個試樣，對每個試樣的10個微區進行測試，結果取平均作為試樣殘余應力。

使用APD-2000 X射線衍射儀(XRD)對脈沖磁場處理前后TC4鈦合金試樣的位錯密度進行測試，掃描范圍為3°~100°，掃描速率為2°/min，電壓為10 kV。使用PHI710俄歇譜儀的電子背散射衍射(EBSD)附件對TC4鈦合金試樣脈沖磁場處理前后進行原位觀察：(1) 將未經脈沖磁場處理的試樣放入俄歇譜儀的真空腔，在掃描電鏡(SEM)下選定試樣一個掃描微區，掃描區域為30 μm×30 μm，設定掃描步長為每點0.07 μm并進行EBSD掃描，記錄數據；(2) 對該試樣進行脈沖磁場處理；(3) 將脈沖磁場處理后的試樣再次放入俄歇譜儀的真空腔，在SEM下找到試樣脈沖磁場處理前的EBSD掃描微區，以同樣的掃描步長進行EBSD掃描并記錄數據；(4) 對比脈沖磁場處理前后試樣同一微區的EBSD結果并分析。試樣進行EBSD測量前需要進行電解拋光去應力層，以6%HClO4+94%CH3COOH (體積分數)作為電解液，在常溫下對試樣進行電解拋光，電解拋光電流設置為0.2~0.3 A，時間為60 s。

脈沖磁場處理前后TC4鈦合金殘余應力測試結果如圖1所示。依據統計理論可知，標準誤一定程度代表了樣本均值置信區間的寬度，經分析可知試樣殘余拉應力的平均值均呈現可信降低。同時由于標準誤為標準差與樣本容量平方根的比值，從圖1可知，經磁場處理后的試樣殘余應力標準差亦有明顯降低。

材料的殘余應力分為3類：宏觀殘余應力、微觀殘余應力和點陣畸變。從統計角度分析，平均值反映試樣宏觀尺度殘余應力，而其標準差則反映了試樣微觀尺度殘余應力。經脈沖磁場處理，TC4鈦合金的宏觀殘余拉應力下降(平均約24%)，而微觀殘余應力則亦下降?，F有脈沖磁場改變材料內部殘余應力的主要觀點為脈沖磁場引起材料內部位錯的運動[8,9,10,12,13]，因此采用XRD與EBSD方法對脈沖磁場作用前后TC4鈦合金的位錯變化進行研究。

同一TC4鈦合金試樣在脈沖磁場處理前后的XRD譜如圖2所示。根據Williamson-Hall方法[25,26,27,28]分析其位錯密度變化：

式中，K=2sinθ/λ，ΔK=2cosθ?Δθ/λ (θ為衍射角，Δθ為2θ處峰的半峰寬，λ為衍射波波長)，b為Burgers矢量模，M為與位錯密度有關常數，${\overline{?}}_{?00}$為(h00)晶面的位錯反射對比因子，q為實驗擬合數字，H為晶面指數h、k、l的組合表達式，ρ為材料位錯密度。通過式(1)，計算圖中各峰對應的H 2，應用MDI Jade 6軟件提取XRD譜各峰的半峰寬Δθ及對應的2θ角，計算對應的(ΔK)2/K 2。線性擬合(ΔK)2/K 2~H 2，結果如圖3所示。脈沖磁場處理前后的擬合線斜率分別為k1=-14.99，k2=-16.62。根據式(1)可知，斜率比值即為位錯密度比值，因此經過脈沖磁場處理后，TC4鈦合金試樣的位錯密度上升10.9%。

KAM (kernel average misorientation)是一種表征晶內局部平均取向差的手段，常常用于表征材料晶內區域的位錯密度[29,30]，KAM值越大，位錯密度越高。

圖4為脈沖磁場處理前后TC4試樣的微區KAM分布。從圖4a和b可以看出，在脈沖磁場作用下，TC4鈦合金晶內區域的KAM分布發生顯著變化。同時，晶界附近的KAM分布也有明顯變化，如圖4a和b中箭頭所指位置1、2、3，其中1、2位置KAM降低而3位置KAM升高。從圖4c和d可以看出，橢圓區域和方框區域內的KAM值分別發生顯著的升高與降低，整體的分布趨向于均勻，這代表了材料位錯密度均勻化。而在晶界位置，可清晰觀察到4位置高密度KAM區的消失，而5、6位置KAM升高。同時還可觀察到部分區域晶界形狀發生微小改變，如6位置。

KAM分布的改變代表了位錯分布的改變，總體位錯密度呈現均勻化的趨勢，晶界附近位錯密度的變化顯著，推測晶界區域可能存在位錯的塞積、穿越及湮沒現象，這一推測可從晶界角度變化規律上進一步加以印證。

位錯移動過程中遇到障礙物(雜質、晶界等)，會出現塞積現象，而晶界壁壘阻礙了位錯的移動，形成了局部區域的應力應變集中，當應力應變集中達到一定程度，位錯會突破障礙物的能量勢壘而穿越晶界[11,31]。位錯在晶界處的塞積、穿越及湮沒行為，很可能改變晶界角度。圖4顯示TC4鈦合金晶界附近的KAM變化顯著，通過OIM軟件提取試樣觀察區域脈沖磁場處理前后的晶界角度并繪制曲線，如圖5所示。由圖5可知，脈沖磁場作用后TC4試樣的晶界角度變化明顯，特別是小角度晶界(晶界角度小于10°的晶界)顯著下降，而在34°~38°晶界角度區間內的晶界顯著增加。鈦合金的α相為六方結構，在約36.5°的晶界角度位置存在重位點陣(CSL)晶界，重位點陣周期為11，表示為Σ11。經過脈沖磁場處理后的TC4試樣小角度晶界顯著減少而Σ11的CSL晶界顯著增加。

小角度晶界的形成和演變很大程度上依賴于位錯運動[32]。以對稱的簡單傾斜小角度晶界為例，它由縱向等距排列的刃型位錯產生。其晶界角度可表示為材料的Burgers矢量模與縱向刃型位錯的間距的比值。通過實驗觀察到的小角度晶界的比例降低，以及晶界附近位錯密度分布變化現象，可推測小角度晶界區的位錯可能發生運動而進入或脫離晶界區域，同號位錯塞積加大晶界角度，異號位錯相遇湮沒從而降低晶界角度，最終使得小角度晶界角度發生變化。

另一方面，鈦合金α相中的CSL晶界Σ11(36.5°)鄰域的晶界含量升高。理論上，按照嚴格幾何特征配合形成的CSL晶界，其晶界處的原子并非處于平衡狀態，因此原子弛豫會使得晶格發生畸變[32]。Balluffi等[33]討論了原子弛豫后的CSL晶界可認為是原有的嚴格幾何模型中引入了位錯，使得其晶界角度發生偏轉。Bishop和Chalmers[34]認為，由于內稟晶界位錯的存在使得特殊位置的CSL晶界角度得以在一定區間范圍內發生偏移。因此，脈沖磁場驅動的位錯引起了特定CSL晶界的含量增多是合理的推測。更進一步，CSL晶界的含量上升，證明晶界能降低，即脈沖磁場處理可以使TC4鈦合金晶界能降低，有利于材料更穩定。

目前脈沖磁場作用下位錯運動的機理解釋主體上分為2類：提升動力和降低阻力。提升動力主要解釋為脈沖磁場引起磁致振動提供了位錯運動的動力[10,12,13]，這類機理主要應用于脈沖磁場引起鐵磁性材料位錯運動的解釋中。在非鐵磁性材料中，提升動力的磁致振動并不明顯，而降低阻力的磁致塑性效應是磁場下位錯運動的主要解釋[15,22,23,24]。磁場降低了位錯的運動阻力，在原有應力場作用下，位錯發生運動而表現出塑性。

基于Frank-Read源位錯增殖理論[35]，位錯受位錯線張力(τT)的作用，如下式所示：

式中，G為切變模量，L為位錯線長度。接近晶粒尺寸的位錯，取L≈10-6 m，b≈10-10 m，G=44.8 GPa，代入計算得τT≈10 MPa。

從位錯所受線張力的數量級來看，材料內部的殘余應力可提供驅動力。然而位錯在雜質原子、空位以及晶界處形成釘扎點，釘扎點將位錯割裂成若干部分，根據式(3)可知，位錯張力會成倍增加，使得位錯無法運動。因此，若脈沖磁場作用能提高位錯脫釘的效率，很大程度上能促使位錯在原有應力場作用下發生移動，產生磁致塑性效應。目前，針對非鐵磁性金屬材料在磁場作用下磁致塑性的理論研究并不充分，磁致塑性的理論研究集中在非金屬材料中。本工作主要借鑒前人關于非金屬晶體磁致塑性的相關機理，對TC4鈦合金在磁場中的磁致塑性效應的可能原因進行推測。

文獻[15,23,36]中提到，在非金屬晶體材料中，脈沖磁場會引起缺陷處共價鍵的重組從而使得點缺陷發生移動。根據量子力學理論[15,22,23,24]，形成共價鍵的電子對的自旋能態存在基態(ground state)和激發態(excited state)，而激發態根據其總自旋的不同又可分為S態(singlet state)和T態(triplet state)，圖6所示為不同狀態電子對及其相互轉化關系，黑色箭頭代表狀態轉換頻繁而白色箭頭代表狀態轉換不頻繁。由圖6可知，S態的電子對自旋角動量為零而T態的電子對自旋角動量不為零。

令Gs-S表示基態下S態，Es-S表示激發態下S態，Es-T表示激發態下T態。根據量子力學理論[15,22,23,24]，Gs-S與Es-S之間存在頻繁的相互轉化，而Gs-S與Es-T之間以極低的頻率轉換(低于Gs-S與Es-S轉化頻率的1/106 s-1)。Es-T與Gs-S狀態由于電子總自旋不為零而躍遷禁阻。因此一旦當電子對能態進入Es-T，則可以較長時間保持激發狀態，使得體系能量較高，穩定性降低。當位錯釘扎處的電子對能態能更大概率保持在激發態，位錯更易脫釘而移動。

文獻[22,24]中提到一種電子對自旋狀態發生轉化的機理，稱為“Δg-機理”，認為磁場引起電子對Lande因子(g)的差異，從而產生Larmor進動頻率差，進而改變電子對自旋狀態。當電子的磁矩方向與外加磁場方向不在同一直線上時，會產生Larmor進動，Larmor進動頻率表達如下式所示：

式中，ωp為進動角頻率，B為磁感應強度，μ為電子磁矩，h為Planck常數。

如圖7所示，當處于S態的電子對受到脈沖磁場的作用時，由于Lande因子的微小差異(約10-3~10-4)，使得電子對的進動頻率產生差異，從而使得位于S態的電子對進入T態的頻率從幾乎為0達到了108~109 s-1。由于脈沖磁場作用，使得Es-S更易轉換到Es-T從而電子對能夠長時間保持在激發態。

針對TC4鈦合金，在磁場作用下出現位錯脫釘的現象，位錯釘扎處的缺陷處電子可能同樣經歷了能態的轉變。由于金屬鍵與共價鍵都是源自電子與原子之間的相互作用，基于非金屬晶體的磁致塑性理論，可推測脈沖磁場可能引起TC4鈦合金位錯釘扎處缺陷的電子能態轉變，使得位錯更易脫釘而在原有力場作用下發生移動。位錯的運動使得晶界角度發生一定的改變，包括小角度晶界的減少以及CSL晶界的增多，使系統能量更低；另一方面位錯的運動松弛了原有的應力，使材料的殘余應力降低。

本工作基于實驗及前人研究成果對脈沖磁場作用引起TC4鈦合金位錯運動的機理提出了合理推測，關于非鐵磁性金屬材料缺陷處的電子狀態轉變的根本原因還有待于進一步研究。

(1) 通過XRD與EBSD手段觀察到脈沖磁場作用下TC4鈦合金的位錯分布發生顯著變化。一方面，晶內位錯發生顯著的均勻化，整體位錯密度上升；另一方面，晶界處位錯發生塞積、穿越及湮沒現象，具體表現在晶界KAM分布的增大、減小及晶界角度的改變。這可能是由于位錯運動引起的小角度晶界含量降低和CSL晶界Σ11的含量升高，使得系統能量降低，更穩定。

(2) 應用磁致塑性理論對脈沖磁場作用下位錯運動機理做了探討。針對TC4鈦合金，脈沖磁場作用促進了位錯釘扎點的電子能態轉變，使得位錯釘扎點能量升高，釘扎阻力減小，位錯在原有應力場作用下，更易產生脫釘扎，從而發生運動。位錯的運動引起了晶界角度的變化和殘余應力的降低，體系趨于穩定。