船用Ti-70鈦合金板材彎裂失效分析

2018-10-26 08:04:30張智鑫李瑞鋒陳海濤王儉王勤波

金屬加工(熱加工) 2018年10期

■ 張智鑫，李瑞鋒，陳海濤，王儉，王勤波

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1.引言

Ti-70鈦合金名義成分為Ti-2.5Al-2Zr-1Fe，對(duì)應(yīng)國(guó)內(nèi)牌號(hào)為TA23，α/β轉(zhuǎn)變溫度為940~960℃，是一種近α型中強(qiáng)、耐蝕、可焊型鈦合金。該合金添加低價(jià)位Fe元素，且具有良好的耐海水腐蝕性、較高的比強(qiáng)度和良好的焊接性，是一種理想的船體結(jié)構(gòu)材料。Ti-70是一種國(guó)內(nèi)自主研制的新型船用鈦合金，國(guó)內(nèi)對(duì)Ti-70板材研究較少，生產(chǎn)工藝也不成熟。本文背景為一批Ti-70板材在沿軋制方向折彎成形時(shí)出現(xiàn)橫向彎裂現(xiàn)象。Ti-70板材的塑性變形過程，確定其成形彎裂的原因，本文對(duì)板材斷口和基體的化學(xué)成分、低高倍組織和力學(xué)性能進(jìn)行了觀測(cè)對(duì)比，并進(jìn)一步分析了板材的斷口形貌。

2.試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用Ti-70鈦合金鑄錠是經(jīng)真空自耗電弧爐三次熔煉得到，具體化學(xué)成分如表1所示。鑄錠在β相區(qū)開坯，經(jīng)多火次鍛造后，末火次在α+β兩相區(qū)鍛成板坯。板坯經(jīng)表面處理后在β轉(zhuǎn)變溫度以下開坯，在α+β兩相區(qū)多火熱軋到8.0mm，然后中間退火和酸洗，熱軋?jiān)趦奢伩赡媸綗彳垯C(jī)上進(jìn)行。之后，經(jīng)兩輥可逆式冷軋機(jī)軋制5.0mm，經(jīng)580℃×45min成品熱處理。

試驗(yàn)對(duì)成形開裂板材的斷口和基體化學(xué)成分、組織及力學(xué)性能分別進(jìn)行觀測(cè)，在JSM6480電子顯微鏡下對(duì)斷口進(jìn)行分析。材料化學(xué)成分測(cè)試在JSM-6480型掃描電鏡能譜儀和化學(xué)法定量分析儀上進(jìn)行，低倍組織用LYMPUS表面觀測(cè)儀觀測(cè)，顯微組織在Axiover 200MAT光學(xué)顯微鏡上觀測(cè)，室溫拉伸性能在Instron 5885拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，洛氏硬度在OU 2200TC進(jìn)行測(cè)試，沖擊韌性在JNS-300擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上檢測(cè)。

3.結(jié)果討論

（1）斷口與基體成分如表2所示。可以看出斷口處成分與板材基體成分接近，無明顯增加、降低現(xiàn)象，板材成分均勻。所以可以排除板材壓彎開裂是受到成分不均勻和偏析的影響。

（2）低高倍組織分別如圖1和圖2所示。

圖1 Ti-70板材低倍組織（1×）

從圖1低倍組織可以看出，Ti-70板材基體和斷口處均無分層、裂紋、氣孔、偏析、金屬和非金屬冶金缺陷；基體低倍組織均勻，無明顯軋制流線，如圖1a所示。斷口處低倍組織呈現(xiàn)出纖維狀拉長(zhǎng)組織且不均勻，如圖1b所示。

圖2為Ti-70成品板材的顯微組織，從圖2a和圖2b均可以明顯看出，基體和斷口處織均勻性都較差，組織多為拉長(zhǎng)狀和纖維狀，等軸組織較少，說明成品板材保留了部分冷軋纖維狀組織，成品熱處理未使板材內(nèi)部組織完全再結(jié)晶等軸化，這嚴(yán)重影響材料的塑性和均勻性。

可以得出，組織不均勻、未完全再結(jié)晶是板材壓彎成形開裂的原因之一。經(jīng)研究：Ti-70冷軋板材612℃保溫30min開始再結(jié)晶，硬度HRC降低量達(dá)50%；684℃保溫30min完成再結(jié)晶，硬度HRC降低量達(dá)80%。而此批板材成品熱處理制度為580℃×30min，未達(dá)到Ti-70板材的再結(jié)晶溫度，因此，組織整體呈纖維狀、再結(jié)晶不完全。組織不均勻易導(dǎo)致板材塑性變形不均勻，影響成形性。

（3）斷口形貌具體如圖3、圖4所示。

從圖3中可以看出彎裂成形的Ti-70板材表面宏觀微裂紋較多，垂直于軋制方向從板材中間向兩邊擴(kuò)展。說明在彎曲過程拉應(yīng)力的作用下，板材塑性較差，導(dǎo)致多處開裂。

圖4為彎裂Ti-70板材的斷口形貌，從圖4a可以看出，整體成韌性斷口，由韌性變形的纖維區(qū)、失穩(wěn)擴(kuò)展的撕裂區(qū)（放射區(qū)）和剪切唇組成，三個(gè)區(qū)域所占比例為3:8:1，圖4c中的撕裂棱也說明了板材韌性斷裂的特點(diǎn)。從圖4b可以看出，斷口處有不均勻的韌窩和微坑，尺寸偏小，多數(shù)微坑較淺，且圖4a中纖維區(qū)較窄只占整個(gè)斷口的25%，說明板材塑性不良且變形不均勻。從圖4c可以看出，斷口微觀呈沿晶斷裂，裂紋沿晶界擴(kuò)展，說明Ti70板材晶界較弱，易優(yōu)先沿晶開裂，塑性較差；微坑聚集的斷口處平齊、有光澤，局部解理面明顯，有脆性解理斷裂的特征。