TA2 轧制板材的组织与拉伸性能研究

供稿|赵小龙，张明玉，于成泉，岳旭，同晓乐，杨峥 / ZHAO Xiaolong, ZHANG Mingyu,YU Chengquan, YUE Xu, TONG Xiaole, YANG Zheng

内容导读

对电子束（EB）炉熔炼扁锭轧制TA2 板材进行退火处理、拉伸性能测试以及断口微观形貌观察，研究板材经不同退火温度处理后的组织和拉伸性能关系。结果表明：板材经不同温度退火处理后，金相组织有一定变化，随着退火温度的不断升高，组织中的晶粒逐渐开始等轴化，并且不断长大。板材的强度与塑性呈现相反趋势，其中强度随着退火温度的升高而先降低再升高，塑性随着退火温度的升高而先升高再降低。经不同退火温度处理后的板材拉伸断口微观形貌大体一致，均为大量等轴韧窝。

钛及钛合金具有高比强度、无磁性、生物兼容性好等较多优异特点，使得其在军工、医疗、航天等众多领域具有十分广泛的应用[1-2]。而纯钛因为其造价较低、生产工艺成熟、以及优异的力学性能，使其在核电工程、汽车工程以及众多民用领域都得到十分广泛的使用，是目前应用最广泛的金属材料之一[3-5]。

对纯钛的研究也十分广泛，其中，张家铭等[6]研究了工业纯钛TA1 薄带制备工艺对织构与性能的影响，结果表明：纯钛的塑性与强度性能与组织中晶粒大小成反比，在进行拉伸时，组织中会产生孪晶以及滑移2 种作用，并在力学性能上有各向异性产生，在进行轧制工艺时，棱锥面会产生滑移协调性，并有织构产生，当进行换向轧制时，形成的织构会使得晶粒受到的阻力增加，从而减小各向异性。龙杰等[7]研究了退火工艺对TA1 热轧宽厚板组织与性能的影响，结果表明：TA1 热轧宽厚板在经历730 ℃×1.5 h 退火后，会得到最佳的金相组织，经测得此时组织中的晶粒尺寸为133～150 μm，同时其力学性能十分优异，其抗拉强度为315 MPa，屈服强度为245 MPa，断后伸长率为45%。

鉴于实际生产，缩短加工过程，精简工艺流程是最重要的研究领域，本文选取电子束（EB）炉熔炼扁锭，随后直接进行轧制生产，制成厚度为50 mm的板材，研究其组织与力学性能关系，进一步探索EB 炉熔炼扁锭的轧制工艺，为实际生产做出参考。

实验材料与方法

实验用材料为经EB 炉熔炼扁锭，随后经2450 mm 轧机轧制加工成厚度为50 mm 的板材，对实验用TA2 板材进行化学成分检测，测的板材具体化学成分如表1 所示。随后将TA2 板材进行切割，对切割后的试样进行退火处理，具体退火制度为（720 ℃、780 ℃、840 ℃、900 ℃）×1.5 h/AC，AC表示室温冷却，对加热后试样进行取样测试，分别进行金相组织观察、室温拉伸性能测试，并观察拉伸断口微观形貌。为确保实验数据的稳定性，试样取样方向均为板材纵向，且每次力学性能测试3 组试样，取其平均值。其中加热用电阻炉为高精度H-2 型号电阻炉，金相组织观察使用APXOL 型号光学显微镜，室温拉伸测试使用XJ-7 型拉伸实验机，拉伸断口微观形貌观察使用ZEISS 型号扫描电镜。

表1 实验用板材化学成分分析（质量分数） %

实验结果与讨论

微观组织

图1 为TA2 钛板经不同退火温度处理后的金相组织，由图1 可知，板材经不同温度退火处理后，金相组织有一定变化，随着退火温度的不断升高，组织中的晶粒逐渐开始等轴化，并且不断长大，在退火温度为720 ℃时，可以发现组织中的晶粒有部分形状为长条状，说明在轧制过程中造成的晶粒变形并没有完全发生回复，当退火温度升至780 ℃时，组织中长条状晶粒数量减少，等轴化程度升高，这是因为温度升高，组织中发生部分再结晶的原因，当退火温度升至840 ℃时，长条状晶粒几乎完全消失，并且出现较多十分细小均匀的小晶粒，这是由于在轧制过程中的变形储存能会减小热激活能，这会增加组织中发生再结晶形核的机率，当提高退火温度时，会增加组织中的原子扩散能力，在轧制变形过程中形成的位错会相抵消，并形成亚晶，其中相邻的亚晶间会发生吞并现象，进而抑制晶粒长大，促使晶粒逐渐等轴化[8-9]。当退火温度升至900 ℃时，此时组织的晶粒尺寸明显变大，这是因为退火温度较高，板材在加热以及保温的过程中，会有足够的能量进行长大，因为晶粒附近存在较多的小晶粒，组织中晶粒在发生再结晶时，会吞噬小晶粒并长大。

图1 经不同退火温度处理的金相组织：(a) 720 ℃；(b) 780 ℃；(c) 840 ℃；(d) 900 ℃

拉伸性能

图2 为板材经不同退火温度处理后的拉伸性能，由图2 可知，板材室温强度与塑性呈现相反趋势，其中强度随着退火温度的升高而先降低再升高，塑性随着退火温度的升高而先升高再降低，其中当板材的退火温度为840 ℃时，其强度值最小，其中抗拉强度（Rm）为502 MPa，屈服强度（Rp0.2）为369 MPa。而板材塑性值方面，其延伸率（A）在840 ℃时最大，其延伸率为32%。

图2 经不同退火温度处理的拉伸性能

因为板材在轧制过程中会导致内部组织中的晶格产生畸变，进而形成较多位错与缺陷，同时在组织内部还有大量的残余应力，导致其畸变能较高，当板材经历720 ℃退火处理后，并不能将上述因素完全消除，使得板材此时强度较高，而塑性较低[10]。当将退火温度提高到780 ℃时，产生的畸变能能够提供组织内部回复与再结晶所需驱动力，同时降低内部缺陷，组织逐渐变得稳定，致使其塑性升高。随着退火温度进一步升至840 ℃，组织中有细小晶粒的产生，轧制过程中形成的位错、空位、残余应力全部消失，再结晶所形成的晶粒会长大并趋于等轴形貌，退火产生的软化效果在此时达到最佳性能，组织的拉伸性能最稳定，而强度最小，塑性达到最大值。当退火温度在900 ℃时，因为此时温度已经超过再结晶的最佳温度，组织中形成的小晶粒“吞食”附近基体并长大，当组织中晶粒较大时，在进行拉伸测试过程中，较大的晶粒容易形成应力集中，在晶界位置容易开裂，使得板材的塑性性能降低[11]。

拉伸断口微观形貌

图3 为板材经不同退火温度处理后的拉伸断口微观形貌，由图3 可知，经不同退火温度处理后的板材拉伸断口微观形貌大体一致，均为大量等轴韧窝，断口形貌中的韧窝数量与形貌是反应板材塑性性能大小的主要依据，当断口形貌中韧窝数量较多且较深时，板材的塑性较高；当韧窝数量较少且深度较浅时，板材的塑性较低。断口中的韧窝是因为当板材在拉伸时，较快的变形速度会导致组织中的位错在进行滑移时，产生应力集中现象，组织内部的微孔发生形核，在拉伸的过程中，位错在运动时受到的排斥力下降，同时少量位错会进入微孔中，位错源被再次激活，因为拉伸过程中会不断产生新位错，使得新位错会源源不断的进入微孔中，促进微孔长大，大量微孔会汇聚到断口位置，从而留下痕迹，进而形成韧窝[12]。

可以发现，840 ℃（图3（c））的韧窝数量最多且较深，说明此时板材的塑性最佳，这与实际结果相符合，而720 ℃（图3（a））、780 ℃（图3（b））的断口形貌几乎一致，均为大量的韧窝，无明显差异，而在900 ℃（图3（d））可以发现明显的撕裂棱存在，这是因为此时组织中形成粗大的晶粒，在拉伸过程中，粗大的晶粒会容易形成空洞，导致板材延伸率下降，而强度上升，这与实际结果一致。

结论

（1）板材经不同温度退火处理后，金相组织有一定变化，随着退火温度的不断升高，组织中的晶粒逐渐开始等轴化，并且不断长大。

（2）板材的强度与塑性呈现相反趋势，其中强度随着退火温度的升高而先降低再升高，塑性随着退火温度的升高而先升高再降低。

（3）经不同退火温度处理后的板材拉伸断口微观形貌大体一致，均为大量等轴韧窝。