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

內容導讀

對電子束（EB）爐熔煉扁錠軋制TA2 板材進行退火處理、拉伸性能測試以及斷口微觀形貌觀察，研究板材經不同退火溫度處理后的組織和拉伸性能關系。結果表明：板材經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，并且不斷長大。板材的強度與塑性呈現相反趨勢，其中強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度、無磁性、生物兼容性好等較多優異特點，使得其在軍工、醫療、航天等眾多領域具有十分廣泛的應用[1-2]。而純鈦因為其造價較低、生產工藝成熟、以及優異的力學性能，使其在核電工程、汽車工程以及眾多民用領域都得到十分廣泛的使用，是目前應用最廣泛的金屬材料之一[3-5]。

對純鈦的研究也十分廣泛，其中，張家銘等[6]研究了工業純鈦TA1 薄帶制備工藝對織構與性能的影響，結果表明：純鈦的塑性與強度性能與組織中晶粒大小成反比，在進行拉伸時，組織中會產生孿晶以及滑移2 種作用，并在力學性能上有各向異性產生，在進行軋制工藝時，棱錐面會產生滑移協調性，并有織構產生，當進行換向軋制時，形成的織構會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TA1 熱軋寬厚板組織與性能的影響，結果表明：TA1 熱軋寬厚板在經歷730 ℃×1.5 h 退火后，會得到最佳的金相組織，經測得此時組織中的晶粒尺寸為133～150 μm，同時其力學性能十分優異，其抗拉強度為315 MPa，屈服強度為245 MPa，斷后伸長率為45%。

鑒于實際生產，縮短加工過程，精簡工藝流程是最重要的研究領域，本文選取電子束（EB）爐熔煉扁錠，隨后直接進行軋制生產，制成厚度為50 mm的板材，研究其組織與力學性能關系，進一步探索EB 爐熔煉扁錠的軋制工藝，為實際生產做出參考。

實驗材料與方法

實驗用材料為經EB 爐熔煉扁錠，隨后經2450 mm 軋機軋制加工成厚度為50 mm 的板材，對實驗用TA2 板材進行化學成分檢測，測的板材具體化學成分如表1 所示。隨后將TA2 板材進行切割，對切割后的試樣進行退火處理，具體退火制度為（720 ℃、780 ℃、840 ℃、900 ℃）×1.5 h/AC，AC表示室溫冷卻，對加熱后試樣進行取樣測試，分別進行金相組織觀察、室溫拉伸性能測試，并觀察拉伸斷口微觀形貌。為確保實驗數據的穩定性，試樣取樣方向均為板材縱向，且每次力學性能測試3 組試樣，取其平均值。其中加熱用電阻爐為高精度H-2 型號電阻爐，金相組織觀察使用APXOL 型號光學顯微鏡，室溫拉伸測試使用XJ-7 型拉伸實驗機，拉伸斷口微觀形貌觀察使用ZEISS 型號掃描電鏡。

表1 實驗用板材化學成分分析（質量分數） %

實驗結果與討論

微觀組織

圖1 為TA2 鈦板經不同退火溫度處理后的金相組織，由圖1 可知，板材經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，并且不斷長大，在退火溫度為720 ℃時，可以發現組織中的晶粒有部分形狀為長條狀，說明在軋制過程中造成的晶粒變形并沒有完全發生回復，當退火溫度升至780 ℃時，組織中長條狀晶粒數量減少，等軸化程度升高，這是因為溫度升高，組織中發生部分再結晶的原因，當退火溫度升至840 ℃時，長條狀晶粒幾乎完全消失，并且出現較多十分細小均勻的小晶粒，這是由于在軋制過程中的變形儲存能會減小熱激活能，這會增加組織中發生再結晶形核的機率，當提高退火溫度時，會增加組織中的原子擴散能力，在軋制變形過程中形成的位錯會相抵消，并形成亞晶，其中相鄰的亞晶間會發生吞并現象，進而抑制晶粒長大，促使晶粒逐漸等軸化[8-9]。當退火溫度升至900 ℃時，此時組織的晶粒尺寸明顯變大，這是因為退火溫度較高，板材在加熱以及保溫的過程中，會有足夠的能量進行長大，因為晶粒附近存在較多的小晶粒，組織中晶粒在發生再結晶時，會吞噬小晶粒并長大。

圖1 經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 為板材經不同退火溫度處理后的拉伸性能，由圖2 可知，板材室溫強度與塑性呈現相反趨勢，其中強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，其中當板材的退火溫度為840 ℃時，其強度值最小，其中抗拉強度（Rm）為502 MPa，屈服強度（Rp0.2）為369 MPa。而板材塑性值方面，其延伸率（A）在840 ℃時最大，其延伸率為32%。

圖2 經不同退火溫度處理的拉伸性能

因為板材在軋制過程中會導致內部組織中的晶格產生畸變，進而形成較多位錯與缺陷，同時在組織內部還有大量的殘余應力，導致其畸變能較高，當板材經歷720 ℃退火處理后，并不能將上述因素完全消除，使得板材此時強度較高，而塑性較低[10]。當將退火溫度提高到780 ℃時，產生的畸變能能夠提供組織內部回復與再結晶所需驅動力，同時降低內部缺陷，組織逐漸變得穩定，致使其塑性升高。隨著退火溫度進一步升至840 ℃，組織中有細小晶粒的產生，軋制過程中形成的位錯、空位、殘余應力全部消失，再結晶所形成的晶粒會長大并趨于等軸形貌，退火產生的軟化效果在此時達到最佳性能，組織的拉伸性能最穩定，而強度最小，塑性達到最大值。當退火溫度在900 ℃時，因為此時溫度已經超過再結晶的最佳溫度，組織中形成的小晶?！巴淌场备浇w并長大，當組織中晶粒較大時，在進行拉伸測試過程中，較大的晶粒容易形成應力集中，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 為板材經不同退火溫度處理后的拉伸斷口微觀形貌，由圖3 可知，經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量與形貌是反應板材塑性性能大小的主要依據，當斷口形貌中韌窩數量較多且較深時，板材的塑性較高；當韌窩數量較少且深度較淺時，板材的塑性較低。斷口中的韌窩是因為當板材在拉伸時，較快的變形速度會導致組織中的位錯在進行滑移時，產生應力集中現象，組織內部的微孔發生形核，在拉伸的過程中，位錯在運動時受到的排斥力下降，同時少量位錯會進入微孔中，位錯源被再次激活，因為拉伸過程中會不斷產生新位錯，使得新位錯會源源不斷的進入微孔中，促進微孔長大，大量微孔會匯聚到斷口位置，從而留下痕跡，進而形成韌窩[12]。

可以發現，840 ℃（圖3（c））的韌窩數量最多且較深，說明此時板材的塑性最佳，這與實際結果相符合，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，無明顯差異，而在900 ℃（圖3（d））可以發現明顯的撕裂棱存在，這是因為此時組織中形成粗大的晶粒，在拉伸過程中，粗大的晶粒會容易形成空洞，導致板材延伸率下降，而強度上升，這與實際結果一致。

結論

（1）板材經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，并且不斷長大。

（2）板材的強度與塑性呈現相反趨勢，其中強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。