鈦及鈦合金具有眾多優(yōu)異特性,例如比強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)、耐低溫性、無磁性等,在海洋工程、航天工程、化學(xué)工程、生物工程等眾多領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用[１－３]。TA1純鈦具有優(yōu)異的成形性能,但其晶體結(jié)構(gòu)為密排六方,導(dǎo)致其變形機(jī)制較其他立方結(jié)構(gòu)材料復(fù)雜,當(dāng)塑性變形過程中的滑移未能開動(dòng)時(shí),則需要孿生進(jìn)行協(xié)調(diào)變形[４－５]。孿生在變形過程中會(huì)影響晶體取向,并且孿晶界通過切割晶粒的方式產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化作用,以此對其力學(xué)性能作出影響[６]。

目前,國內(nèi)外學(xué)者對TA1純鈦力學(xué)行為作出了較多的研究,蘇娟華等人[７]研究了工業(yè)純鈦高溫拉伸性能及斷口形貌,結(jié)果表明:工業(yè)純鈦的強(qiáng)度隨著拉伸溫度升高而降低,塑性呈現(xiàn)與之相反趨勢。梁遠(yuǎn)長等人[８]研究了工業(yè)純鈦TA２拉伸及低周疲勞性能的各向異性,研究發(fā)現(xiàn):純鈦的屈服強(qiáng)度與屈強(qiáng)比隨著取樣角度(與RD方向的夾角)增加而增大。朱巖等人[９]研究了變形溫度對TA1工業(yè)純鈦板拉壓不對稱性的影響,研究表明:增加變形溫度會(huì)減少孿晶數(shù)量,變形溫度會(huì)影響純鈦的拉壓不對稱性,同時(shí)還對純鈦中孿生現(xiàn)象有一定影響。

目前,對純鈦的拉伸性能研究均為改變外界因素(如拉伸速率、拉伸溫度)為主,以及對拉伸結(jié)果進(jìn)行分析,而對整個(gè)拉伸過程中的組織與性能研究較少,故本文選取TA1純鈦鈦板,在室溫條件下,將拉伸過程進(jìn)行分解研究,進(jìn)一步研究其拉伸過程中組織與性能的變化,為該合金的生產(chǎn)應(yīng)用作出一定參考。

1、試驗(yàn)設(shè)備與方法

本試驗(yàn)材料為經(jīng)軋制退火后的TA1純鈦鈦板,退火制度為700℃×1h/AC,材料由新疆湘潤新材料科技有限公司提供,TA1純鈦鈦板具體化學(xué)成分如表１所示。試驗(yàn)用拉伸試樣選取板材RD方向(板材軋制方向),試驗(yàn)拉伸速率分別為0.3mm/min。使用光學(xué)顯微鏡(型號(hào)為OLYMPUS)觀察顯微組織并拍照,EBSD檢測和拉伸斷口微觀形貌使用蔡司SUPRA５５場發(fā)射掃描電鏡,XRD物相分析使用EmpyreanXＧ射線衍射儀,使用INSTRONＧ5580萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能測試,使用Hanemann維氏硬度計(jì)對試樣進(jìn)行硬度測定。

2、試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1原始組織

圖１為經(jīng)軋制退火后TA1純鈦原始組織,由圖１可得,該金相組織由等軸α相(位置A)以及少量晶間β相(位置B)構(gòu)成,原始組織已形成較完全再結(jié)晶晶粒且組織完整,并有少量混晶出現(xiàn),其取向?yàn)殡S機(jī)分布取向。進(jìn)一步對其關(guān)鍵取向進(jìn)行分析,＜0001＞//ND取向占比為33.7％,＜10－12＞//ND取向占比為21.3％。由EBSD相鑒別結(jié)果可知,鈦板主要由密排六方結(jié)構(gòu)的α鈦(占比99.2％)和體心立方結(jié)構(gòu)的β鈦(占比0.8％)組成。β鈦主要分布在晶粒內(nèi)部,高溫β鈦與低溫α鈦存在相互轉(zhuǎn)變的Burger關(guān)系(六方取向與立方取向的平行關(guān)系)[１０]。

鈦板進(jìn)行軋制時(shí),組織中的滑移系分兩種[11]:一種為a系滑移＜11－20＞,此滑移面是{10－10}和{0001};另外一種為a＋c滑移,其滑移方向?yàn)椋?1－23＞,滑移面是{11－22}和{10－11}。當(dāng)密排六方晶系進(jìn)行變形時(shí),此時(shí)無論a滑移或a＋c滑移,滑移一般在基平面上產(chǎn)生,且皆難以達(dá)到六方晶系變形所需的條件,導(dǎo)致該晶系在變形時(shí)有孿生機(jī)制存在,此外,鈦板在軋制時(shí),在張力作用下,晶?；妻D(zhuǎn)動(dòng)后的取向?yàn)閇11－20],而孿晶會(huì)讓取向偏向[0001],故鈦板形成的變形織構(gòu)是經(jīng)過(0001)的滑移以及(10－12)的孿晶所形成。

2.2組織分析

圖２a為TA1純鈦試樣拉伸過程曲線圖,現(xiàn)將整個(gè)拉伸過程進(jìn)行分解為１０點(diǎn),每次試樣從起始位置進(jìn)行拉伸,到設(shè)定位置停止拉伸,取下拉伸試樣(拉伸試樣如圖２b所示)。由圖２b可知,拉伸試樣的長度在位置１到位置６并無明顯變化,從位置７開始出現(xiàn)明顯延長,結(jié)合圖２a分析可得,位置７為拉伸過程中強(qiáng)化結(jié)束頸縮開始位置。

圖３為拉伸過程中不同位置的金相圖,由圖３可知,拉伸試樣位于前３個(gè)位置時(shí),金相組織并無明顯變化,以等軸α相和少量晶間β相構(gòu)成,由位置４開始,金相組織中出現(xiàn)少量孿晶(位置c),隨著拉伸的進(jìn)行,金相組織中孿晶數(shù)量不斷增加,同時(shí)組織中等軸α相的晶粒尺寸減小。這是因?yàn)殡S著拉伸的進(jìn)行,板材塑性變形量不斷增加,組織中的晶粒發(fā)生碎化,等軸晶粒因外力作用而變形并被破壞,晶粒沿拉伸方向被拉長,同時(shí)組織中應(yīng)變量也增加。隨著拉伸形變繼續(xù)增加,組織中開始有孿晶出現(xiàn),首先是變形組織中局部產(chǎn)生孿生,隨著變形程度增大,孿晶數(shù)量不斷增多且密度同時(shí)增大。孿晶是當(dāng)母體晶粒受到垂直于c軸的壓縮或者平行于c軸的拉伸作用力時(shí),會(huì)沿著(10－12)晶面產(chǎn)生切變,即晶粒會(huì)繞c軸的＜10－10＞方向進(jìn)行85°旋轉(zhuǎn)所形成的新取向晶粒。

組織中孿晶數(shù)量除對板材力學(xué)性能有影響外,對組織中晶粒的大小也起到一定影響,其主要表現(xiàn)為細(xì)化晶粒。當(dāng)組織中孿晶數(shù)目達(dá)到一定數(shù)值后,最開始出現(xiàn)的初始孿晶晶內(nèi)會(huì)生成二次孿晶,乃至三次孿晶。隨著組織中孿晶數(shù)目不斷增多,孿晶與晶界、孿晶與孿晶之間的產(chǎn)生的交割作用也不斷進(jìn)行,導(dǎo)致孿晶尺寸減小,對原始晶粒起到細(xì)化作用。

2.3力學(xué)分析

圖４為拉伸過程中不同位置的力學(xué)性能值,由圖４可知,隨著拉伸的進(jìn)行,應(yīng)力值逐漸升高,從位置5開始,其應(yīng)力值升高明顯,到位置７后,應(yīng)力值趨于穩(wěn)定,最大值為361MPa。拉伸試樣的伸長率前期變化不明顯,在位置７開始數(shù)值大幅度增加,與宏觀拉伸試樣(圖２b)中現(xiàn)象一致,其最大值為39％。

結(jié)合圖３,拉伸試樣在拉伸過程中組織最明顯的變化是孿晶的出現(xiàn),在拉伸前期,組織中并無孿晶產(chǎn)生,此時(shí)組織中晶粒的變形和取向?qū)Π宀牡牧W(xué)性能影響較大,在進(jìn)行拉伸時(shí),隨著變形量的不斷增大,由于組織中產(chǎn)生的滑移有限,晶體所產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)變形抗力較大,強(qiáng)化作用增強(qiáng),同時(shí),板材在塑性變形時(shí),組織中的晶粒發(fā)生不均勻扭轉(zhuǎn)形變,晶粒形成的位錯(cuò)會(huì)在晶界處有位錯(cuò)塞積產(chǎn)生,形成釘扎現(xiàn)象,從而增強(qiáng)強(qiáng)度[12]。

隨著拉伸進(jìn)行,組織中有孿晶出現(xiàn),孿晶的形成通常和滑移是緊密相關(guān)的,是滑移深入進(jìn)行而形成的,因此鈦板材的變形程度會(huì)制約孿晶對流動(dòng)應(yīng)力的作用。當(dāng)滑移在晶界處形成位錯(cuò)塞積阻時(shí),因?yàn)榧冣伒木w結(jié)構(gòu)為密排六方,當(dāng)孿生形成的臨界分切應(yīng)力低于滑移形成的臨界分切應(yīng)力,此時(shí)的晶粒會(huì)有切變孿晶形成并有新位錯(cuò)線生成來繼續(xù)使滑移開動(dòng),繼續(xù)和孿晶界儲(chǔ)存位錯(cuò)塞積[13],當(dāng)拉伸繼續(xù)進(jìn)行,組織中的位錯(cuò)塞積、孿晶以及滑移開動(dòng)會(huì)不斷形成,組織中孿晶數(shù)量增加,形成孿晶界強(qiáng)化[14]。與此同時(shí),拉伸會(huì)增加組織中晶粒扭轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)以及變形程度,形成的孿晶會(huì)使能量降低,在拉伸的過程中,孿晶內(nèi)部形成的位錯(cuò)對集中應(yīng)力所導(dǎo)致的軟化作用會(huì)有緩解效果[15]。晶粒中產(chǎn)生孿晶數(shù)量的增加會(huì)確保塑性變形的進(jìn)行,而組織中單個(gè)孿晶起到作用有也所改變,由滑移線的增多到滑移的進(jìn)行,最后到位錯(cuò)塞積的儲(chǔ)存,這也是軟化效果轉(zhuǎn)變?yōu)橛不Ч倪^渡。

圖５為拉伸過程種不同位置的維氏硬度值,由圖５可得,隨著拉伸試樣變形量增大,試樣硬度值呈現(xiàn)出逐漸增大趨勢,硬度最大值為１７６HV。這是因?yàn)榍捌诶煸嚇拥淖冃瘟枯^小,內(nèi)部流動(dòng)應(yīng)力變化很小,未進(jìn)入加工硬化階段,隨著塑性變形的增加,開始形成加工硬化效果,使得硬度值開始上升,隨著形變繼續(xù)增大,位錯(cuò)密度不斷增加,加工硬化效果增大,組織中的晶格畸變增大,產(chǎn)生更多的晶格畸變能。同時(shí)組織內(nèi)會(huì)形成一定數(shù)量的孿晶界面,其強(qiáng)化的方式與晶界相類似,對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)起到阻礙作用,在拉伸不斷進(jìn)行過程中,越來越多的位錯(cuò)塞積到孿晶界面上,孿晶界面形成的應(yīng)力集中不斷增大。孿晶起到的強(qiáng)化作用和細(xì)晶強(qiáng)化的原理相近,皆是通過增加的晶界數(shù)量對位錯(cuò)滑移起到阻礙作用,組織中晶粒越細(xì)小,則晶粒數(shù)量越多,增大晶界總面積以及位錯(cuò)障礙,當(dāng)進(jìn)行變形時(shí),變形量會(huì)分散到眾多的小晶粒中,變形要協(xié)調(diào)更多位向不同的晶粒,從而增加強(qiáng)度。

3、結(jié)論

(１)原始金相組織由等軸α相以及少量晶間β相構(gòu)成,并有少量混晶,晶粒取向?yàn)殡S機(jī)分布,其中＜0001＞//ND取向占比為33.7％,＜10－12＞//ND取向占比為21.3％。

(２)拉伸過程中前期金相組織并無明顯變化,以等軸α相和少量晶間β相構(gòu)成,隨著拉伸的進(jìn)行,金相組織中孿晶數(shù)量不斷增加,同時(shí)組織中等軸α相的晶粒尺寸減小。

(３)隨著拉伸的進(jìn)行,應(yīng)力值逐漸升高,最后應(yīng)力值趨于穩(wěn)定,最大值為361MPa。拉伸試樣的伸長率前期變化不明顯,隨后大幅度增加,直到試樣斷裂。

(４)隨著拉伸試樣變形量增大,試樣硬度值呈現(xiàn)出逐漸增大趨勢,硬度最大值為176HV。

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