TA1純鈦鈦板拉伸斷裂過程分析

王亞光，張明玉，趙富強(qiáng)，豆成斌，陳興順

(1.新疆湘潤新材料科技有限公司，新疆 哈密 839000；2.大連交通大學(xué) 連續(xù)擠壓教育部工程研究中心，遼寧 大連 116028)

鈦及鈦合金具有眾多優(yōu)異特性，例如比強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)、耐低溫性、無磁性等，在海洋工程、航天工程、化學(xué)工程、生物工程等眾多領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。TA1純鈦具有優(yōu)異的成形性能，但其晶體結(jié)構(gòu)為密排六方，導(dǎo)致其變形機(jī)制較其他立方結(jié)構(gòu)材料復(fù)雜，當(dāng)塑性變形過程中的滑移未能開動時，則需要孿生進(jìn)行協(xié)調(diào)變形[4-5]。孿生在變形過程中會影響晶體取向，并且孿晶界通過切割晶粒的方式產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化作用，以此對其力學(xué)性能作出影響[6]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對TA1純鈦力學(xué)行為作出了較多的研究，蘇娟華等人[7]研究了工業(yè)純鈦高溫拉伸性能及斷口形貌，結(jié)果表明：工業(yè)純鈦的強(qiáng)度隨著拉伸溫度升高而降低，塑性呈現(xiàn)與之相反趨勢。

梁遠(yuǎn)長等人[8]研究了工業(yè)純鈦TA2拉伸及低周疲勞性能的各向異性，研究發(fā)現(xiàn)：純鈦的屈服強(qiáng)度與屈強(qiáng)比隨著取樣角度(與RD方向的夾角)增加而增大。朱巖等人[9]研究了變形溫度對TA1工業(yè)純鈦板拉壓不對稱性的影響，研究表明：增加變形溫度會減少孿晶數(shù)量，變形溫度會影響純鈦的拉壓不對稱性，同時還對純鈦中孿生現(xiàn)象有一定影響。

目前，對純鈦的拉伸性能研究均為改變外界因素(如拉伸速率、拉伸溫度)為主，以及對拉伸結(jié)果進(jìn)行分析，而對整個拉伸過程中的組織與性能研究較少，故本文選取TA1純鈦鈦板，在室溫條件下，將拉伸過程進(jìn)行分解研究，進(jìn)一步研究其拉伸過程中組織與性能的變化，為該合金的生產(chǎn)應(yīng)用作出一定參考。

1 試驗設(shè)備與方法

本試驗材料為經(jīng)軋制退火后的TA1純鈦鈦板，退火制度為700 ℃×1 h/AC，材料由新疆湘潤新材料科技有限公司提供，TA1純鈦鈦板具體化學(xué)成分如表1所示。試驗用拉伸試樣選取板材RD方向(板材軋制方向)，試驗拉伸速率分別為0.3 mm/min。使用光學(xué)顯微鏡(型號為OLYMPUS)觀察顯微組織并拍照，EBSD檢測和拉伸斷口微觀形貌使用蔡司SUPRA 55場發(fā)射掃描電鏡，XRD物相分析使用Empyrean X-射線衍射儀，使用INSTRON-5580萬能試驗機(jī)進(jìn)行拉伸性能測試，使用Hanemann維氏硬度計對試樣進(jìn)行硬度測定。

表1 TA1鈦板化學(xué)成分 單位：%

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 原始組織

圖1為經(jīng)軋制退火后TA1純鈦原始組織，由圖1可得，該金相組織由等軸α相(位置A)以及少量晶間β相(位置B)構(gòu)成，原始組織已形成較完全再結(jié)晶晶粒且組織完整，并有少量混晶出現(xiàn)，其取向為隨機(jī)分布取向。進(jìn)一步對其關(guān)鍵取向進(jìn)行分析，<0001>//ND取向占比為33.7%，<10-12>//ND取向占比為21.3%。由 EBSD 相鑒別結(jié)果可知，鈦板主要由密排六方結(jié)構(gòu)的α鈦(占比99.2%)和體心立方結(jié)構(gòu)的β鈦(占比 0.8%)組成。β鈦主要分布在晶粒內(nèi)部，高溫β鈦與低溫α鈦存在相互轉(zhuǎn)變的Burger關(guān)系(六方取向與立方取向的平行關(guān)系)[10]。

a:金相組織；b:取向分布；c:EBSD分析

鈦板進(jìn)行軋制時，組織中的滑移系分兩種[11]：一種為a系滑移<11-20>，此滑移面是{10-10}和{0001}；另外一種為a+c滑移，其滑移方向為<11-23>，滑移面是{11-22}和{10-11}。當(dāng)密排六方晶系進(jìn)行變形時，此時無論a滑移或a+c滑移，滑移一般在基平面上產(chǎn)生，且皆難以達(dá)到六方晶系變形所需的條件，導(dǎo)致該晶系在變形時有孿生機(jī)制存在，此外，鈦板在軋制時，在張力作用下，晶粒滑移轉(zhuǎn)動后的取向為[11-20]，而孿晶會讓取向偏向[0001]，故鈦板形成的變形織構(gòu)是經(jīng)過(0001)的滑移以及(10-12)的孿晶所形成。

2.2 組織分析

圖2a為TA1純鈦試樣拉伸過程曲線圖，現(xiàn)將整個拉伸過程進(jìn)行分解為10點，每次試樣從起始位置進(jìn)行拉伸，到設(shè)定位置停止拉伸，取下拉伸試樣(拉伸試樣如圖2b所示)。由圖2b可知，拉伸試樣的長度在位置1到位置6并無明顯變化，從位置7開始出現(xiàn)明顯延長，結(jié)合圖2a分析可得，位置7為拉伸過程中強(qiáng)化結(jié)束頸縮開始位置。

a:拉伸過程曲線；b:拉伸試樣

圖3為拉伸過程中不同位置的金相圖，由圖3可知，拉伸試樣位于前3個位置時，金相組織并無明顯變化，以等軸α相和少量晶間β相構(gòu)成，由位置4開始，金相組織中出現(xiàn)少量孿晶(位置c)，隨著拉伸的進(jìn)行，金相組織中孿晶數(shù)量不斷增加，同時組織中等軸α相的晶粒尺寸減小。這是因為隨著拉伸的進(jìn)行，板材塑性變形量不斷增加，組織中的晶粒發(fā)生碎化，等軸晶粒因外力作用而變形并被破壞，晶粒沿拉伸方向被拉長，同時組織中應(yīng)變量也增加。隨著拉伸形變繼續(xù)增加，組織中開始有孿晶出現(xiàn)，首先是變形組織中局部產(chǎn)生孿生，隨著變形程度增大，孿晶數(shù)量不斷增多且密度同時增大。孿晶是當(dāng)母體晶粒受到垂直于c軸的壓縮或者平行于c軸的拉伸作用力時，會沿著(10-12)晶面產(chǎn)生切變，即晶粒會繞c軸的<10-10>方向進(jìn)行85 °旋轉(zhuǎn)所形成的新取向晶粒。

a:位置1；b:位置2；c:位置3；d:位置4；e:位置5；f:位置6；g:位置7；h:位置8；i:位置9；j:位置10

組織中孿晶數(shù)量除對板材力學(xué)性能有影響外，對組織中晶粒的大小也起到一定影響，其主要表現(xiàn)為細(xì)化晶粒。當(dāng)組織中孿晶數(shù)目達(dá)到一定數(shù)值后，最開始出現(xiàn)的初始孿晶晶內(nèi)會生成二次孿晶，乃至三次孿晶。隨著組織中孿晶數(shù)目不斷增多，孿晶與晶界、孿晶與孿晶之間的產(chǎn)生的交割作用也不斷進(jìn)行，導(dǎo)致孿晶尺寸減小，對原始晶粒起到細(xì)化作用。

2.3 力學(xué)分析

圖4為拉伸過程中不同位置的力學(xué)性能值，由圖4可知，隨著拉伸的進(jìn)行，應(yīng)力值逐漸升高，從位置5開始，其應(yīng)力值升高明顯，到位置7后，應(yīng)力值趨于穩(wěn)定，最大值為361 MPa。拉伸試樣的伸長率前期變化不明顯，在位置7開始數(shù)值大幅度增加，與宏觀拉伸試樣(圖2b)中現(xiàn)象一致，其最大值為39%。

a:應(yīng)力；b:伸長率

結(jié)合圖3，拉伸試樣在拉伸過程中組織最明顯的變化是孿晶的出現(xiàn)，在拉伸前期，組織中并無孿晶產(chǎn)生，此時組織中晶粒的變形和取向?qū)Π宀牡牧W(xué)性能影響較大，在進(jìn)行拉伸時，隨著變形量的不斷增大，由于組織中產(chǎn)生的滑移有限，晶體所產(chǎn)生轉(zhuǎn)動變形抗力較大，強(qiáng)化作用增強(qiáng)，同時，板材在塑性變形時，組織中的晶粒發(fā)生不均勻扭轉(zhuǎn)形變，晶粒形成的位錯會在晶界處有位錯塞積產(chǎn)生，形成釘扎現(xiàn)象，從而增強(qiáng)強(qiáng)度[12]。

隨著拉伸進(jìn)行，組織中有孿晶出現(xiàn)，孿晶的形成通常和滑移是緊密相關(guān)的，是滑移深入進(jìn)行而形成的，因此板材的變形程度會制約孿晶對流動應(yīng)力的作用。當(dāng)滑移在晶界處形成位錯塞積阻時，因為純鈦的晶體結(jié)構(gòu)為密排六方，當(dāng)孿生形成的臨界分切應(yīng)力低于滑移形成的臨界分切應(yīng)力，此時的晶粒會有切變孿晶形成并有新位錯線生成來繼續(xù)使滑移開動，繼續(xù)和孿晶界儲存位錯塞積[13]，當(dāng)拉伸繼續(xù)進(jìn)行，組織中的位錯塞積、孿晶以及滑移開動會不斷形成，組織中孿晶數(shù)量增加，形成孿晶界強(qiáng)化[14]。與此同時，拉伸會增加組織中晶粒扭轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)以及變形程度，形成的孿晶會使能量降低，在拉伸的過程中，孿晶內(nèi)部形成的位錯對集中應(yīng)力所導(dǎo)致的軟化作用會有緩解效果[15]。晶粒中產(chǎn)生孿晶數(shù)量的增加會確保塑性變形的進(jìn)行，而組織中單個孿晶起到作用有也所改變，由滑移線的增多到滑移的進(jìn)行，最后到位錯塞積的儲存，這也是軟化效果轉(zhuǎn)變?yōu)橛不Ч倪^渡。

圖5為拉伸過程種不同位置的維氏硬度值，由圖5可得，隨著拉伸試樣變形量增大，試樣硬度值呈現(xiàn)出逐漸增大趨勢，硬度最大值為176 HV。這是因為前期拉伸試樣的變形量較小，內(nèi)部流動應(yīng)力變化很小，未進(jìn)入加工硬化階段，隨著塑性變形的增加，開始形成加工硬化效果，使得硬度值開始上升，隨著形變繼續(xù)增大，位錯密度不斷增加，加工硬化效果增大，組織中的晶格畸變增大，產(chǎn)生更多的晶格畸變能。同時組織內(nèi)會形成一定數(shù)量的孿晶界面，其強(qiáng)化的方式與晶界相類似，對位錯運(yùn)動起到阻礙作用，在拉伸不斷進(jìn)行過程中，越來越多的位錯塞積到孿晶界面上，孿晶界面形成的應(yīng)力集中不斷增大。孿晶起到的強(qiáng)化作用和細(xì)晶強(qiáng)化的原理相近，皆是通過增加的晶界數(shù)量對位錯滑移起到阻礙作用，組織中晶粒越細(xì)小，則晶粒數(shù)量越多，增大晶界總面積以及位錯障礙，當(dāng)進(jìn)行變形時，變形量會分散到眾多的小晶粒中，變形要協(xié)調(diào)更多位向不同的晶粒，從而增加強(qiáng)度。

圖5 拉伸過程中不同位置的硬度值

3 結(jié)論

(1)原始金相組織由等軸α相以及少量晶間β相構(gòu)成，并有少量混晶，晶粒取向為隨機(jī)分布，其中<0001>//ND取向占比為33.7%，<10-12>//ND取向占比為21.3%。

(2)拉伸過程中前期金相組織并無明顯變化，以等軸α相和少量晶間β相構(gòu)成，隨著拉伸的進(jìn)行，金相組織中孿晶數(shù)量不斷增加，同時組織中等軸α相的晶粒尺寸減小。

(3)隨著拉伸的進(jìn)行，應(yīng)力值逐漸升高，最后應(yīng)力值趨于穩(wěn)定，最大值為361 MPa。拉伸試樣的伸長率前期變化不明顯，隨后大幅度增加，直到試樣斷裂。

(4)隨著拉伸試樣變形量增大，試樣硬度值呈現(xiàn)出逐漸增大趨勢，硬度最大值為176 HV。