冷軋變形量對TA2純鈦板材的組織和力學性能的影響

尚笑宇，李壯，蔡一欽，蔡文豪，李晉宇，王灝旭，陳勝楠

沈陽航空航天大學材料科學與工程學院 遼寧沈陽 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、比強度高、耐熱性能好、耐腐蝕性能卓越以及無磁無毒等優點[1]，在各行各業大受歡迎[2]。TA2純鈦一般退火組織為單α相，它不能進行熱處理強化，在實際生產和工程應用中，可以采用不同的加工手段來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，其沖擊強度不相上下，其強化機制為冷變形強化[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純鈦原料經過不同工藝冷軋處理，將原料與冷軋后試樣的組織性能進行比較，對其強化機制進行分析，為獲得最佳的機械加工工藝提供理論依據。

2 試驗材料與方法

本試驗采用TA2純鈦作為試驗材料，其化學成分為：wO=0.140%，wFe=0.021%，wC=0.010%，wN=0.007%，wH=0.001%，其余為Ti。熱軋TA2純鈦經過900～1000℃加熱，800～850℃軋制后，得到熱軋退火態的TA2純鈦原料。經過線切割，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冷軋機上進行冷軋。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方法》加工出拉伸試樣。將原料與冷軋料，經過磨、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）下對其顯微組織進行分析。在HVS-1000數顯維氏硬度計上測量其維氏硬度（載荷為1000g），每個試樣上測5個點取平均值。在INSTRON4206型電子機械拉伸試驗機上完成拉伸試驗，每3組取其平均值。

圖1 TA2純鈦的顯微組織

3 試驗結果與討論

3.1 顯微組織

圖1為TA2純鈦的原始組織（見圖1a）、27%、40%和53%冷軋變形后的金相組織（見圖1b～d）。通過圖1中幾種組織的比較，不難發現，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（見圖1a）；而經過27%的冷軋變形后，等軸α晶粒拉長，呈纖維狀（見圖1b）；經過40%和53%冷軋變形后，α晶粒的纖維狀程度加劇（見圖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，經過53%冷軋變形后，α晶粒中產生大量的位錯，這種高密度的位錯無疑會對TA2純鈦的力學性能產生影響。

3.2 力學性能

顯微組織的變化對其宏觀力學性能產生了影響。上述四組試樣的抗拉強度（Rm）、屈服強度（RP0.2）、斷后伸長率（A）和維氏硬度（HV）的平 均值見表1。表1中，未冷軋變形的TA2純鈦的原始試樣抗拉強度最低，為321.8MPa；斷后伸長率最高，達28.3%；維氏硬度也最低，為209.63HV。隨變形量加大，試樣的抗拉強度、屈服強度增高，斷后伸長率降低，維氏硬度也增高。經過53%冷軋變形后的試樣，其抗拉強度最高，達712.9MPa；斷后伸長率最低，為7.7%；維氏硬度也最高，達294.44HV。

圖2 TA2純鈦的53%冷軋變形試樣的TEM組織

表1 TA2純鈦試樣力學性能

3.3 結果分析與討論

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（見圖1a）。隨冷軋變形量的加大，等軸狀α晶粒明顯細化，組織呈現出明顯的纖維狀形貌（見圖1）。在經過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晶粒變得更加細小。經過27%和40%冷軋變形后，其金相組織中仍發現有軋成“V”形狀的α晶粒（見圖1b、圖1c），而在53%變形后，“V”形狀的α晶粒已經完全破碎，但仍可發現等軸α晶粒的存在（見圖1d）。TA2純鈦在塑性變形過程中消耗了能量，它們大多轉化成熱能而消失了，由于采用了多次的冷軋，冷軋時因放熱，甚至再結晶有可能發生，此時，等軸α晶粒形成。隨著變形量的增加，等軸α晶粒進一步破碎，在大變形量下產生纖維組織。

原始試樣、27%、40%和53%冷軋變形后試樣的力學性能試驗表明，隨著冷變形量的增加，強度、硬度增加，而斷后伸長率降低。冷變形時晶粒發生了碎化，變形越劇烈，碎化的越徹底，最后得到細小的晶粒。晶粒尺寸對材料力學性能的影響可以通過Hall-Petch關系式進行說明，當晶粒直徑變得越小時，則其抗變形能力越大。晶粒越細，塑性也越好。當冷軋變形量最大時，強度最高、硬度最大（見表1），此時晶粒細化最大，但同時塑性有所降低。

冷軋變形量增大的同時造成了金屬位錯密度的增加。TA2純鈦經過53%冷軋變形后產生了大量的位錯（見圖2），金屬中的這種高密度位錯纏結在一起，增加了位錯運動的阻力，使位錯運動困難，需要增加外力來使位錯運動[5]。因此，冷軋變形提高了TA2純鈦的強度和硬度。變形量27%、40%和53%的冷軋試驗，有效地提高了TA2純鈦的力學性能。

4 結束語

1）TA2純鈦經過冷軋變形后，隨冷軋變形量的增加，等軸狀α晶粒明顯細化，組織呈明顯的纖維狀形貌。

2）TA2純鈦隨冷軋變形量增加，強度增加、硬度增大，但同時塑性降低。經過53%冷軋變形后的試樣，其抗拉強度達712.9MPa，斷后伸長率為7.7%，維氏硬度達294.44HV。

3）TA2純鈦力學性能變化的原因是由于變形導致了晶粒碎化，位錯密度增加，因此其強度、硬度增加。