李 壯，張潤奇，蔡一欽，劉慶琦，戴建科，張 利

(沈陽航空航天大學 材料科學與工程學院，沈陽 110136)

鈦及鈦合金性能優(yōu)異，具有密度小、比強度高、耐蝕性能好、耐熱性能優(yōu)良、無磁等一系列特性，以其優(yōu)良的綜合性能應用于航空航天、船舶、化工、生物醫(yī)學、建筑、交通運輸?shù)阮I域，在國防軍工和國民經(jīng)濟的重要部門獲得了廣泛的應用[1]。工業(yè)純鈦是指具有不同雜質(zhì)含量的未合金化鈦，具有較高的塑形和優(yōu)良的成型工藝性能[2]，由于其具有良好的生物兼容性，在醫(yī)學領域倍受青睞[3-4]。在不同牌號的工業(yè)純鈦中，TA2純鈦綜合力學性能適中，耐磨性能和耐腐蝕性能良好，在工業(yè)上最常用。在對工業(yè)純鈦的處理工藝中，通常利用其優(yōu)良的塑性和韌性對其冷軋或熱軋，以此提高強度。但熱軋之后的TA2內(nèi)部組織不均勻且內(nèi)應力集中[5]，為使其硬度降低，塑韌性提高，常使用退火工藝處理[6-7]。研究退火工藝對TA2熱軋態(tài)顯微組織和力學性能的影響極為必要。

本文通過對TA2熱軋板試樣進行不同溫度的退火處理，觀察退火前后顯微組織，測量退火前后的維氏硬度和力學性能，研究了退火工藝對TA2熱軋態(tài)顯微組織及力學性能的影響。

1 實驗材料與方法

采用TA2純鈦為實驗材料，其化學成分如表1所示。

表1 TA2試樣的主要化學成分 %

使用數(shù)控線切割機將TA2純鈦切割出13個10 mm×10 mm×15 mm塊用做金相試樣，12個1 000 mm×20 mm×5 mm塊用做拉伸試樣坯料。對這些試樣用SX1-5-10箱式電阻爐進行退火處理，每3個試樣為一組，保溫時間30 min，4種工藝如表2所示。

表2 TA2純鈦熱處理工藝 ℃

熱處理后的金相試樣經(jīng)磨拋、用腐蝕劑(10%HF+30%H2O2+50%H2O)腐蝕后，在光學顯微鏡(Olympus)和掃描電鏡(ZEISS)下進行組織觀察。采用HV-50A維式硬度分析儀進行硬度測試，載荷1 kg。在Instron4206-006拉伸實驗機上對拉伸試樣進行拉力實驗。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 顯微組織分析

未經(jīng)退火處理的工業(yè)純鈦TA2熱軋板顯微組織如圖1所示。金相組織為長條狀變形α晶粒。這是由于TA2純鈦在受力壓軋過程中，其鑄態(tài)組織在外力作用下沿分切應力方向發(fā)生再結(jié)晶和晶粒長大(圖1a)。掃描電鏡下，這些長條狀的α晶粒更加明顯，顯示出由于熱軋，原等軸狀晶粒已經(jīng)呈現(xiàn)出明顯的拉長了的形態(tài)特征(圖1b)。

圖1 退火處理前的TA2組織

經(jīng)熱處理后光鏡下的金相組織和掃描電鏡組織分別如圖2、圖3所示。光鏡下，經(jīng)過工藝Ⅰ處理后TA2純鈦的顯微組織中基本仍為長條狀變形晶粒(圖2a)，但在掃描電鏡下，可以清楚地觀察到在由于被軋制而沿切應力生長的晶粒中有新晶粒產(chǎn)生，在長條狀的變形α相中出現(xiàn)了部分細小的等軸晶粒(圖3a)。光鏡下，經(jīng)過工藝Ⅱ處理后的TA2純鈦顯微組織中等軸晶粒數(shù)量增多，晶粒輕微長大且仍具有原長條形晶粒取向(圖2b)，而在掃描電鏡下，這種細小的等軸晶粒夾在長條狀的變形α相中，且晶粒尺寸也長大明顯(圖3b)。光鏡下，經(jīng)過工藝Ⅲ處理后的TA2純鈦顯微組織中，等軸晶粒增多、且等軸晶粒的尺寸與經(jīng)過工藝Ⅱ處理后的再結(jié)晶晶粒相比更為粗大(圖2c)，在掃描電鏡中，除了左邊的等軸晶粒以外，右邊的變形的長條α晶粒仍然明顯的存在(圖3c)。經(jīng)過工藝Ⅳ處理后的TA2純鈦的顯微組織變化明顯，基本已經(jīng)完全轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為均勻的等軸晶粒，光鏡下，雖然還具有些許拉長的顯微組織特征，但相對較均勻且粗大的等軸晶粒特征非常明顯(圖2d)，掃描電鏡下，可以看到這種等軸晶粒完全長大，拉長了的晶粒已經(jīng)消失了，此時，等軸晶粒的尺寸最大(圖3d)。

圖2 退火處理后的TA2金相組織

本次實驗所用材料為TA2純鈦鑄錠經(jīng)過熱軋之后得到的純鈦板，其顯微組織為在外力擠壓作用下再結(jié)晶形成的長條狀變形α晶粒。晶粒內(nèi)部應該還存在著因大變形量引起的少量孿晶[8-9]。原材料經(jīng)熱軋后，等軸α晶粒進一步拉長(圖1)，同時，在熱軋的冷卻過程中也會造成其內(nèi)部存在較大的殘余應力[10]。根據(jù)文獻[11]，TA2的再結(jié)晶溫度在520～600 ℃之間。但通過圖2a、圖3a可以看出經(jīng)過450 ℃×30 min退火處理后內(nèi)部組織中已經(jīng)產(chǎn)生部分細小的α晶粒，這是由于局部大變形量造成的大量形變儲存能大大降低了熱激活能，使再結(jié)晶過程中形核更容易發(fā)生，并且其內(nèi)部組織變形量的不均勻性導致變形量大的位置優(yōu)先形核，于是發(fā)生部分再結(jié)晶[12]。

圖3 退火處理后的TA2掃描電鏡組織

2.2 力學性能分析

TA2熱軋試樣未經(jīng)過退火處理和經(jīng)過4種退火工藝處理后的維氏硬度如圖4所示。

圖4 TA2熱軋試樣在不同工藝處理后的硬度

圖4中，試樣退火處理后硬度降低，且隨退火溫度升高，硬度降低明顯，由原來的Hv123降為Hv79。試樣的力學性能如表3所示。TA2試樣退火前，抗拉強度、屈服強度和伸長率分別為456 MPa、345 MPa和19%，隨退火溫度升高，強度降低，而伸長率增高。經(jīng)過工藝Ⅰ處理后，試樣硬度較退火前略有降低，強度亦下降，而伸長率略有提高。隨著退火溫度的提高，試樣硬度降低明顯。經(jīng)工藝Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ退火處理后硬度較退火處理前均大幅度降低，強度也降低明顯，伸長率提高。工藝Ⅳ處理后硬度、強度均最低，伸長率最高，其抗拉強度、屈服強度和伸長率分別為403 MPa、279 MPa和30%。

如前所述，純鈦TA2熱軋板還應該存在孿晶，而孿晶對鈦的再結(jié)晶有促進作用。這是由于孿晶界是局部高能區(qū)，可提供合適的再結(jié)晶形核位置[13]。室溫激活孿晶誘發(fā)靜態(tài)再結(jié)晶細化晶粒，熱加工過程激活的孿晶同時誘發(fā)動態(tài)再結(jié)晶過程，動態(tài)再結(jié)晶細晶效果明顯，有助于獲得細小的等軸晶組織[13]。熱軋造成晶格畸變，使晶體缺陷增多、殘余應力增加，最后導致硬度增高，達到最大值，強度也最高，伸長率最低。

TA2退火后顯微硬度大大降低[14-15]。因形變儲能造成的驅(qū)動力對組織的影響尤為顯著，450 ℃退火也使加工硬化得以消除。試樣得到了有效的軟化。而再結(jié)晶在組織中起了重要的作用[16]。經(jīng)過550 ℃×30 min退火處理后，組織發(fā)生再結(jié)晶。由于550 ℃相對于450 ℃退火處理因退火溫度升高，更多晶粒形核并長大，使其再結(jié)晶晶粒數(shù)量較多，尺寸較大，回復再結(jié)晶現(xiàn)象非常明顯(圖2b、3b)。550 ℃退火后硬度、強度進一步降低，伸長率提高(圖4、表3)。經(jīng)過650 ℃退火后，組織中殘余應力消除，回復再結(jié)晶過程基本完成，晶粒尺寸增加(圖2c、3c)，硬度、強度顯著降低，伸長率顯著提高。經(jīng)過750 ℃×30 min退火后，由于其組織內(nèi)部發(fā)生回復再結(jié)晶和晶粒長大等一系列過程，組織轉(zhuǎn)變?yōu)楦泳鶆虼执蟮牡容Sα晶粒(圖2d、3d)，硬度、強度大幅降低，與此同時，伸長率達到最高值(圖4、表3)。

表3 試樣退火前后的力學性能

退火溫度在550 ℃時，TA2純鈦顯微組織中等軸晶粒數(shù)量明顯的增多，硬度、強度降低的幅度和伸長率增高的幅度較大。在退火溫度高于550 ℃后，由于再結(jié)晶過程已經(jīng)基本完成，這些性能指標的變化不再顯著。因此，本實驗可以認為組織真正發(fā)生明顯的再結(jié)晶溫度為550 ℃。當750 ℃退火后，掃描電鏡下幾乎全部為尺寸較大的等軸晶粒，可以認為再結(jié)晶幾乎完成。此時，工藝Ⅳ處理后的試樣，抗拉強度和屈服強度降至403 MPa和279 MPa，而伸長率升至30%的最高值。

3 結(jié)論

(1)熱軋態(tài)TA2組織為長條狀變形α晶粒，完全回復再結(jié)晶之后組織由長條狀變形α晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虼执蟮牡容Sα晶粒。

(2)退火處理使熱軋態(tài)TA2發(fā)生回復再結(jié)晶。熱軋態(tài)TA2退火前硬度、強度最高，伸長率最低，退火后硬度、強度降低，伸長率增高。經(jīng)過工藝Ⅰ處理，試樣硬度、強度略有下降，伸長率略有提高。經(jīng)工藝Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ退火處理后硬度、強度均大幅度降低，伸長率明顯提高。

(3)認為本實驗發(fā)生明顯的再結(jié)晶溫度為550 ℃。當750 ℃退火后，再結(jié)晶幾乎完成，獲得幾乎全部的尺寸較大的等軸晶粒。因此，550 ℃退火后性能指標變化明顯；750 ℃退火后，試樣抗拉強度、屈服強度和伸長率分別達到了403 MPa、279 MPa和30%較佳值。