冷軋變形量對(duì)TA2純鈦板材的組織和力學(xué)性能的影響

尚笑宇，李壯，蔡一欽，蔡文豪，李晉宇，王灝旭，陳勝楠

沈陽航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 遼寧沈陽 110136

1 序言

TA2純鈦是α型鈦合金中典型的一種，它具有密度小、比強(qiáng)度高、耐熱性能好、耐腐蝕性能卓越以及無磁無毒等優(yōu)點(diǎn)[1]，在各行各業(yè)大受歡迎[2]。TA2純鈦一般退火組織為單α相，它不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，在實(shí)際生產(chǎn)和工程應(yīng)用中，可以采用不同的加工手段來決定它們加工后的組織和性能。TA2純鈦同淬火回火低合金鋼相比，其沖擊強(qiáng)度不相上下，其強(qiáng)化機(jī)制為冷變形強(qiáng)化[3，4]。搞清TA2純鈦在變形中的組織演變，獲得良好的加工工藝很有必要。

本文將TA2純鈦原料經(jīng)過不同工藝?yán)滠執(zhí)幚恚瑢⒃吓c冷軋后試樣的組織性能進(jìn)行比較，對(duì)其強(qiáng)化機(jī)制進(jìn)行分析，為獲得最佳的機(jī)械加工工藝提供理論依據(jù)。

2 試驗(yàn)材料與方法

本試驗(yàn)采用TA2純鈦?zhàn)鳛樵囼?yàn)材料，其化學(xué)成分為：wO=0.140%，wFe=0.021%，wC=0.010%，wN=0.007%，wH=0.001%，其余為Ti。熱軋TA2純鈦經(jīng)過900～1000℃加熱，800～850℃軋制后，得到熱軋退火態(tài)的TA2純鈦原料。經(jīng)過線切割，制備12塊15mm×15mm×120mm的棱柱狀試樣。將其分為4組，其中3組分別放在φ150mm冷軋機(jī)上進(jìn)行冷軋。冷軋變形量分別為27%、40%和53%。按照GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》加工出拉伸試樣。將原料與冷軋料，經(jīng)過磨、拋、4%HNO3酒精試劑腐蝕后，分別在金相顯微鏡（OLYMPUS）和透射電鏡（EM400T）下對(duì)其顯微組織進(jìn)行分析。在HVS-1000數(shù)顯維氏硬度計(jì)上測(cè)量其維氏硬度（載荷為1000g），每個(gè)試樣上測(cè)5個(gè)點(diǎn)取平均值。在INSTRON4206型電子機(jī)械拉伸試驗(yàn)機(jī)上完成拉伸試驗(yàn)，每3組取其平均值。

圖1 TA2純鈦的顯微組織

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 顯微組織

圖1為TA2純鈦的原始組織（見圖1a）、27%、40%和53%冷軋變形后的金相組織（見圖1b～d）。通過圖1中幾種組織的比較，不難發(fā)現(xiàn)，TA2純鈦的組織受冷軋的影響是很大的。在原始組織中，我們可以看出等軸晶粒的存在（見圖1a）；而經(jīng)過27%的冷軋變形后，等軸α晶粒拉長(zhǎng)，呈纖維狀（見圖1b）；經(jīng)過40%和53%冷軋變形后，α晶粒的纖維狀程度加?。ㄒ妶D1c、圖1d）。冷軋前以及不同變形量冷軋后TA2純鈦的晶粒平均尺寸分別為：4.11μm、3.71μm、3.18μm、2.75μm。

53%冷軋變形后試樣的透射電鏡照片如圖2所示。從圖2可以看到，經(jīng)過53%冷軋變形后，α晶粒中產(chǎn)生大量的位錯(cuò)，這種高密度的位錯(cuò)無疑會(huì)對(duì)TA2純鈦的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。

3.2 力學(xué)性能

顯微組織的變化對(duì)其宏觀力學(xué)性能產(chǎn)生了影響。上述四組試樣的抗拉強(qiáng)度（Rm）、屈服強(qiáng)度（RP0.2）、斷后伸長(zhǎng)率（A）和維氏硬度（HV）的平 均值見表1。表1中，未冷軋變形的TA2純鈦的原始試樣抗拉強(qiáng)度最低，為321.8MPa；斷后伸長(zhǎng)率最高，達(dá)28.3%；維氏硬度也最低，為209.63HV。隨變形量加大，試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度增高，斷后伸長(zhǎng)率降低，維氏硬度也增高。經(jīng)過53%冷軋變形后的試樣，其抗拉強(qiáng)度最高，達(dá)712.9MPa；斷后伸長(zhǎng)率最低，為7.7%；維氏硬度也最高，達(dá)294.44HV。

圖2 TA2純鈦的53%冷軋變形試樣的TEM組織

表1 TA2純鈦試樣力學(xué)性能

3.3 結(jié)果分析與討論

由于TA2為α純鈦，其常溫下顯示出α相特征。因此，冷變形后組織都為α相的晶粒。在TA2原料的組織中，有些α晶粒呈條狀，其中，等軸狀α晶粒不均勻地分布在條狀α晶粒中（見圖1a）。隨冷軋變形量的加大，等軸狀α晶粒明顯細(xì)化，組織呈現(xiàn)出明顯的纖維狀形貌（見圖1）。在經(jīng)過不同變形量的冷軋變形后，隨著變形量的增大，α晶粒由于受到擠壓，條狀被壓扁，晶粒破碎，等軸α晶粒變得更加細(xì)小。經(jīng)過27%和40%冷軋變形后，其金相組織中仍發(fā)現(xiàn)有軋成“V”形狀的α晶粒（見圖1b、圖1c），而在53%變形后，“V”形狀的α晶粒已經(jīng)完全破碎，但仍可發(fā)現(xiàn)等軸α晶粒的存在（見圖1d）。TA2純鈦在塑性變形過程中消耗了能量，它們大多轉(zhuǎn)化成熱能而消失了，由于采用了多次的冷軋，冷軋時(shí)因放熱，甚至再結(jié)晶有可能發(fā)生，此時(shí)，等軸α晶粒形成。隨著變形量的增加，等軸α晶粒進(jìn)一步破碎，在大變形量下產(chǎn)生纖維組織。

原始試樣、27%、40%和53%冷軋變形后試樣的力學(xué)性能試驗(yàn)表明，隨著冷變形量的增加，強(qiáng)度、硬度增加，而斷后伸長(zhǎng)率降低。冷變形時(shí)晶粒發(fā)生了碎化，變形越劇烈，碎化的越徹底，最后得到細(xì)小的晶粒。晶粒尺寸對(duì)材料力學(xué)性能的影響可以通過Hall-Petch關(guān)系式進(jìn)行說明，當(dāng)晶粒直徑變得越小時(shí)，則其抗變形能力越大。晶粒越細(xì)，塑性也越好。當(dāng)冷軋變形量最大時(shí)，強(qiáng)度最高、硬度最大（見表1），此時(shí)晶粒細(xì)化最大，但同時(shí)塑性有所降低。

冷軋變形量增大的同時(shí)造成了金屬位錯(cuò)密度的增加。TA2純鈦經(jīng)過53%冷軋變形后產(chǎn)生了大量的位錯(cuò)（見圖2），金屬中的這種高密度位錯(cuò)纏結(jié)在一起，增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)困難，需要增加外力來使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)[5]。因此，冷軋變形提高了TA2純鈦的強(qiáng)度和硬度。變形量27%、40%和53%的冷軋?jiān)囼?yàn)，有效地提高了TA2純鈦的力學(xué)性能。

4 結(jié)束語

1）TA2純鈦經(jīng)過冷軋變形后，隨冷軋變形量的增加，等軸狀α晶粒明顯細(xì)化，組織呈明顯的纖維狀形貌。

2）TA2純鈦隨冷軋變形量增加，強(qiáng)度增加、硬度增大，但同時(shí)塑性降低。經(jīng)過53%冷軋變形后的試樣，其抗拉強(qiáng)度達(dá)712.9MPa，斷后伸長(zhǎng)率為7.7%，維氏硬度達(dá)294.44HV。

3）TA2純鈦力學(xué)性能變化的原因是由于變形導(dǎo)致了晶粒碎化，位錯(cuò)密度增加，因此其強(qiáng)度、硬度增加。