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冷軋變形量對(duì)TA2純鈦板材的組織和力學(xué)性能的影響

2020-08-14 03:33:30尚笑宇李壯蔡一欽蔡文豪李晉宇王灝旭陳勝楠
金屬加工(熱加工) 2020年8期
關(guān)鍵詞:纖維狀氏硬度伸長(zhǎng)率

尚笑宇,李壯,蔡一欽,蔡文豪,李晉宇,王灝旭,陳勝楠

沈陽(yáng)航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 遼寧沈陽(yáng) 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(wú)磁無(wú)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(lái)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(guò)不同工藝?yán)滠執(zhí)幚?,將原料與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(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn)圖1a)、27%、40%和53%冷軋變形后的金相組織(見(jiàn)圖1b~d)。通過(guò)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(jiàn)圖1a);而經(jīng)過(guò)27%的冷軋變形后,等軸α晶粒拉長(zhǎng),呈纖維狀(見(jiàn)圖1b);經(jīng)過(guò)40%和53%冷軋變形后,α晶粒的纖維狀程度加劇(見(jiàn)圖1c、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(guò)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(wú)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(jiàn)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(guò)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(jiàn)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(jiàn)圖1)。在經(jīng)過(guò)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(guò)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(jiàn)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(jiàn)圖1d)。TA2純鈦在塑性變形過(guò)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(guò)Hall-Petch關(guān)系式進(jìn)行說(shuō)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(jiàn)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(guò)53%冷軋變形后產(chǎn)生了大量的位錯(cuò)(見(jiàn)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(lái)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(yǔ)

1)TA2純鈦經(jīng)過(guò)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(guò)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。

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