TA2 軋制板材的組織與拉伸性能研究

供稿|趙小龍，張明玉，于成泉，岳旭，同曉樂，楊崢 / ZHAO Xiaolong, ZHANG Mingyu,YU Chengquan, YUE Xu, TONG Xiaole, YANG Zheng

內(nèi)容導(dǎo)讀

對(duì)電子束（EB）爐熔煉扁錠軋制TA2 板材進(jìn)行退火處理、拉伸性能測(cè)試以及斷口微觀形貌觀察，研究板材經(jīng)不同退火溫度處理后的組織和拉伸性能關(guān)系。結(jié)果表明：板材經(jīng)不同溫度退火處理后，金相組織有一定變化，隨著退火溫度的不斷升高，組織中的晶粒逐漸開始等軸化，并且不斷長(zhǎng)大。板材的強(qiáng)度與塑性呈現(xiàn)相反趨勢(shì)，其中強(qiáng)度隨著退火溫度的升高而先降低再升高，塑性隨著退火溫度的升高而先升高再降低。經(jīng)不同退火溫度處理后的板材拉伸斷口微觀形貌大體一致，均為大量等軸韌窩。

鈦及鈦合金具有高比強(qiáng)度、無(wú)磁性、生物兼容性好等較多優(yōu)異特點(diǎn)，使得其在軍工、醫(yī)療、航天等眾多領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用[1-2]。而純鈦因?yàn)槠湓靸r(jià)較低、生產(chǎn)工藝成熟、以及優(yōu)異的力學(xué)性能，使其在核電工程、汽車工程以及眾多民用領(lǐng)域都得到十分廣泛的使用，是目前應(yīng)用最廣泛的金屬材料之一[3-5]。

對(duì)純鈦的研究也十分廣泛，其中，張家銘等[6]研究了工業(yè)純鈦TA1 薄帶制備工藝對(duì)織構(gòu)與性能的影響，結(jié)果表明：純鈦的塑性與強(qiáng)度性能與組織中晶粒大小成反比，在進(jìn)行拉伸時(shí)，組織中會(huì)產(chǎn)生孿晶以及滑移2 種作用，并在力學(xué)性能上有各向異性產(chǎn)生，在進(jìn)行軋制工藝時(shí)，棱錐面會(huì)產(chǎn)生滑移協(xié)調(diào)性，并有織構(gòu)產(chǎn)生，當(dāng)進(jìn)行換向軋制時(shí)，形成的織構(gòu)會(huì)使得晶粒受到的阻力增加，從而減小各向異性。龍杰等[7]研究了退火工藝對(duì)TA1 熱軋寬厚板組織與性能的影響，結(jié)果表明：TA1 熱軋寬厚板在經(jīng)歷730 ℃×1.5 h 退火后，會(huì)得到最佳的金相組織，經(jīng)測(cè)得此時(shí)組織中的晶粒尺寸為133～150 μm，同時(shí)其力學(xué)性能十分優(yōu)異，其抗拉強(qiáng)度為315 MPa，屈服強(qiáng)度為245 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為45%。

鑒于實(shí)際生產(chǎn)，縮短加工過(guò)程，精簡(jiǎn)工藝流程是最重要的研究領(lǐng)域，本文選取電子束（EB）爐熔煉扁錠，隨后直接進(jìn)行軋制生產(chǎn)，制成厚度為50 mm的板材，研究其組織與力學(xué)性能關(guān)系，進(jìn)一步探索EB 爐熔煉扁錠的軋制工藝，為實(shí)際生產(chǎn)做出參考。

實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)用材料為經(jīng)EB 爐熔煉扁錠，隨后經(jīng)2450 mm 軋機(jī)軋制加工成厚度為50 mm 的板材，對(duì)實(shí)驗(yàn)用TA2 板材進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，測(cè)的板材具體化學(xué)成分如表1 所示。隨后將TA2 板材進(jìn)行切割，對(duì)切割后的試樣進(jìn)行退火處理，具體退火制度為（720 ℃、780 ℃、840 ℃、900 ℃）×1.5 h/AC，AC表示室溫冷卻，對(duì)加熱后試樣進(jìn)行取樣測(cè)試，分別進(jìn)行金相組織觀察、室溫拉伸性能測(cè)試，并觀察拉伸斷口微觀形貌。為確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，試樣取樣方向均為板材縱向，且每次力學(xué)性能測(cè)試3 組試樣，取其平均值。其中加熱用電阻爐為高精度H-2 型號(hào)電阻爐，金相組織觀察使用APXOL 型號(hào)光學(xué)顯微鏡，室溫拉伸測(cè)試使用XJ-7 型拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)，拉伸斷口微觀形貌觀察使用ZEISS 型號(hào)掃描電鏡。

表1 實(shí)驗(yàn)用板材化學(xué)成分分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

微觀組織

圖1 為TA2 鈦板經(jīng)不同退火溫度處理后的金相組織，由圖1 可知，板材經(jīng)不同溫度退火處理后，金相組織有一定變化，隨著退火溫度的不斷升高，組織中的晶粒逐漸開始等軸化，并且不斷長(zhǎng)大，在退火溫度為720 ℃時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)組織中的晶粒有部分形狀為長(zhǎng)條狀，說(shuō)明在軋制過(guò)程中造成的晶粒變形并沒有完全發(fā)生回復(fù)，當(dāng)退火溫度升至780 ℃時(shí)，組織中長(zhǎng)條狀晶粒數(shù)量減少，等軸化程度升高，這是因?yàn)闇囟壬撸M織中發(fā)生部分再結(jié)晶的原因，當(dāng)退火溫度升至840 ℃時(shí)，長(zhǎng)條狀晶粒幾乎完全消失，并且出現(xiàn)較多十分細(xì)小均勻的小晶粒，這是由于在軋制過(guò)程中的變形儲(chǔ)存能會(huì)減小熱激活能，這會(huì)增加組織中發(fā)生再結(jié)晶形核的機(jī)率，當(dāng)提高退火溫度時(shí)，會(huì)增加組織中的原子擴(kuò)散能力，在軋制變形過(guò)程中形成的位錯(cuò)會(huì)相抵消，并形成亞晶，其中相鄰的亞晶間會(huì)發(fā)生吞并現(xiàn)象，進(jìn)而抑制晶粒長(zhǎng)大，促使晶粒逐漸等軸化[8-9]。當(dāng)退火溫度升至900 ℃時(shí)，此時(shí)組織的晶粒尺寸明顯變大，這是因?yàn)橥嘶饻囟容^高，板材在加熱以及保溫的過(guò)程中，會(huì)有足夠的能量進(jìn)行長(zhǎng)大，因?yàn)榫Я８浇嬖谳^多的小晶粒，組織中晶粒在發(fā)生再結(jié)晶時(shí)，會(huì)吞噬小晶粒并長(zhǎng)大。

圖1 經(jīng)不同退火溫度處理的金相組織：(a) 720 ℃；(b) 780 ℃；(c) 840 ℃；(d) 900 ℃

拉伸性能

圖2 為板材經(jīng)不同退火溫度處理后的拉伸性能，由圖2 可知，板材室溫強(qiáng)度與塑性呈現(xiàn)相反趨勢(shì)，其中強(qiáng)度隨著退火溫度的升高而先降低再升高，塑性隨著退火溫度的升高而先升高再降低，其中當(dāng)板材的退火溫度為840 ℃時(shí)，其強(qiáng)度值最小，其中抗拉強(qiáng)度（Rm）為502 MPa，屈服強(qiáng)度（Rp0.2）為369 MPa。而板材塑性值方面，其延伸率（A）在840 ℃時(shí)最大，其延伸率為32%。

圖2 經(jīng)不同退火溫度處理的拉伸性能

因?yàn)榘宀脑谲堉七^(guò)程中會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部組織中的晶格產(chǎn)生畸變，進(jìn)而形成較多位錯(cuò)與缺陷，同時(shí)在組織內(nèi)部還有大量的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致其畸變能較高，當(dāng)板材經(jīng)歷720 ℃退火處理后，并不能將上述因素完全消除，使得板材此時(shí)強(qiáng)度較高，而塑性較低[10]。當(dāng)將退火溫度提高到780 ℃時(shí)，產(chǎn)生的畸變能能夠提供組織內(nèi)部回復(fù)與再結(jié)晶所需驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)降低內(nèi)部缺陷，組織逐漸變得穩(wěn)定，致使其塑性升高。隨著退火溫度進(jìn)一步升至840 ℃，組織中有細(xì)小晶粒的產(chǎn)生，軋制過(guò)程中形成的位錯(cuò)、空位、殘余應(yīng)力全部消失，再結(jié)晶所形成的晶粒會(huì)長(zhǎng)大并趨于等軸形貌，退火產(chǎn)生的軟化效果在此時(shí)達(dá)到最佳性能，組織的拉伸性能最穩(wěn)定，而強(qiáng)度最小，塑性達(dá)到最大值。當(dāng)退火溫度在900 ℃時(shí)，因?yàn)榇藭r(shí)溫度已經(jīng)超過(guò)再結(jié)晶的最佳溫度，組織中形成的小晶?！巴淌场备浇w并長(zhǎng)大，當(dāng)組織中晶粒較大時(shí)，在進(jìn)行拉伸測(cè)試過(guò)程中，較大的晶粒容易形成應(yīng)力集中，在晶界位置容易開裂，使得板材的塑性性能降低[11]。

拉伸斷口微觀形貌

圖3 為板材經(jīng)不同退火溫度處理后的拉伸斷口微觀形貌，由圖3 可知，經(jīng)不同退火溫度處理后的板材拉伸斷口微觀形貌大體一致，均為大量等軸韌窩，斷口形貌中的韌窩數(shù)量與形貌是反應(yīng)板材塑性性能大小的主要依據(jù)，當(dāng)斷口形貌中韌窩數(shù)量較多且較深時(shí)，板材的塑性較高；當(dāng)韌窩數(shù)量較少且深度較淺時(shí)，板材的塑性較低。斷口中的韌窩是因?yàn)楫?dāng)板材在拉伸時(shí)，較快的變形速度會(huì)導(dǎo)致組織中的位錯(cuò)在進(jìn)行滑移時(shí)，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，組織內(nèi)部的微孔發(fā)生形核，在拉伸的過(guò)程中，位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的排斥力下降，同時(shí)少量位錯(cuò)會(huì)進(jìn)入微孔中，位錯(cuò)源被再次激活，因?yàn)槔爝^(guò)程中會(huì)不斷產(chǎn)生新位錯(cuò)，使得新位錯(cuò)會(huì)源源不斷的進(jìn)入微孔中，促進(jìn)微孔長(zhǎng)大，大量微孔會(huì)匯聚到斷口位置，從而留下痕跡，進(jìn)而形成韌窩[12]。

可以發(fā)現(xiàn)，840 ℃（圖3（c））的韌窩數(shù)量最多且較深，說(shuō)明此時(shí)板材的塑性最佳，這與實(shí)際結(jié)果相符合，而720 ℃（圖3（a））、780 ℃（圖3（b））的斷口形貌幾乎一致，均為大量的韌窩，無(wú)明顯差異，而在900 ℃（圖3（d））可以發(fā)現(xiàn)明顯的撕裂棱存在，這是因?yàn)榇藭r(shí)組織中形成粗大的晶粒，在拉伸過(guò)程中，粗大的晶粒會(huì)容易形成空洞，導(dǎo)致板材延伸率下降，而強(qiáng)度上升，這與實(shí)際結(jié)果一致。

結(jié)論

（1）板材經(jīng)不同溫度退火處理后，金相組織有一定變化，隨著退火溫度的不斷升高，組織中的晶粒逐漸開始等軸化，并且不斷長(zhǎng)大。

（2）板材的強(qiáng)度與塑性呈現(xiàn)相反趨勢(shì)，其中強(qiáng)度隨著退火溫度的升高而先降低再升高，塑性隨著退火溫度的升高而先升高再降低。

（3）經(jīng)不同退火溫度處理后的板材拉伸斷口微觀形貌大體一致，均為大量等軸韌窩。