冷轧变形量对TA2纯钛板材的组织和力学性能的影响
2020-08-14尚笑宇李壮蔡一钦蔡文豪李晋宇王灏旭陈胜楠
尚笑宇，李壮，蔡一钦，蔡文豪，李晋宇，王灏旭，陈胜楠
沈阳航空航天大学材料科学与工程学院 辽宁沈阳 110136
1 序言
TA2纯钛是α型钛合金中典型的一种，它具有密度小、比强度高、耐热性能好、耐腐蚀性能卓越以及无磁无毒等优点[1]，在各行各业大受欢迎[2]。TA2纯钛一般退火组织为单α相，它不能进行热处理强化，在实际生产和工程应用中，可以采用不同的加工手段来决定它们加工后的组织和性能。TA2纯钛同淬火回火低合金钢相比，其冲击强度不相上下，其强化机制为冷变形强化[3，4]。搞清TA2纯钛在变形中的组织演变，获得良好的加工工艺很有必要。
本文将TA2纯钛原料经过不同工艺冷轧处理，将原料与冷轧后试样的组织性能进行比较，对其强化机制进行分析，为获得最佳的机械加工工艺提供理论依据。
2 试验材料与方法
本试验采用TA2纯钛作为试验材料，其化学成分为：wO=0.140%，wFe=0.021%，wC=0.010%，wN=0.007%，wH=0.001%，其余为Ti。热轧TA2纯钛经过900～1000℃加热，800～850℃轧制后，得到热轧退火态的TA2纯钛原料。经过线切割，制备12块15mm×15mm×120mm的棱柱状试样。将其分为4组，其中3组分别放在φ150mm冷轧机上进行冷轧。冷轧变形量分别为27%、40%和53%。按照GB/T 228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》加工出拉伸试样。将原料与冷轧料，经过磨、抛、4%HNO3酒精试剂腐蚀后，分别在金相显微镜（OLYMPUS）和透射电镜（EM400T）下对其显微组织进行分析。在HVS-1000数显维氏硬度计上测量其维氏硬度（载荷为1000g），每个试样上测5个点取平均值。在INSTRON4206型电子机械拉伸试验机上完成拉伸试验，每3组取其平均值。
图1 TA2纯钛的显微组织
3 试验结果与讨论
3.1 显微组织
图1为TA2纯钛的原始组织（见图1a）、27%、40%和53%冷轧变形后的金相组织（见图1b～d）。通过图1中几种组织的比较，不难发现，TA2纯钛的组织受冷轧的影响是很大的。在原始组织中，我们可以看出等轴晶粒的存在（见图1a）；而经过27%的冷轧变形后，等轴α晶粒拉长，呈纤维状（见图1b）；经过40%和53%冷轧变形后，α晶粒的纤维状程度加剧（见图1c、图1d）。冷轧前以及不同变形量冷轧后TA2纯钛的晶粒平均尺寸分别为：4.11μm、3.71μm、3.18μm、2.75μm。
53%冷轧变形后试样的透射电镜照片如图2所示。从图2可以看到，经过53%冷轧变形后，α晶粒中产生大量的位错，这种高密度的位错无疑会对TA2纯钛的力学性能产生影响。
3.2 力学性能
显微组织的变化对其宏观力学性能产生了影响。上述四组试样的抗拉强度（Rm）、屈服强度（RP0.2）、断后伸长率（A）和维氏硬度（HV）的平 均值见表1。表1中，未冷轧变形的TA2纯钛的原始试样抗拉强度最低，为321.8MPa；断后伸长率最高，达28.3%；维氏硬度也最低，为209.63HV。随变形量加大，试样的抗拉强度、屈服强度增高，断后伸长率降低，维氏硬度也增高。经过53%冷轧变形后的试样，其抗拉强度最高，达712.9MPa；断后伸长率最低，为7.7%；维氏硬度也最高，达294.44HV。
图2 TA2纯钛的53%冷轧变形试样的TEM组织
表1 TA2纯钛试样力学性能
3.3 结果分析与讨论
由于TA2为α纯钛，其常温下显示出α相特征。因此，冷变形后组织都为α相的晶粒。在TA2原料的组织中，有些α晶粒呈条状，其中，等轴状α晶粒不均匀地分布在条状α晶粒中（见图1a）。随冷轧变形量的加大，等轴状α晶粒明显细化，组织呈现出明显的纤维状形貌（见图1）。在经过不同变形量的冷轧变形后，随着变形量的增大，α晶粒由于受到挤压，条状被压扁，晶粒破碎，等轴α晶粒变得更加细小。经过27%和40%冷轧变形后，其金相组织中仍发现有轧成“V”形状的α晶粒（见图1b、图1c），而在53%变形后，“V”形状的α晶粒已经完全破碎，但仍可发现等轴α晶粒的存在（见图1d）。TA2纯钛在塑性变形过程中消耗了能量，它们大多转化成热能而消失了，由于采用了多次的冷轧，冷轧时因放热，甚至再结晶有可能发生，此时，等轴α晶粒形成。随着变形量的增加，等轴α晶粒进一步破碎，在大变形量下产生纤维组织。
原始试样、27%、40%和53%冷轧变形后试样的力学性能试验表明，随着冷变形量的增加，强度、硬度增加，而断后伸长率降低。冷变形时晶粒发生了碎化，变形越剧烈，碎化的越彻底，最后得到细小的晶粒。晶粒尺寸对材料力学性能的影响可以通过Hall-Petch关系式进行说明，当晶粒直径变得越小时，则其抗变形能力越大。晶粒越细，塑性也越好。当冷轧变形量最大时，强度最高、硬度最大（见表1），此时晶粒细化最大，但同时塑性有所降低。
冷轧变形量增大的同时造成了金属位错密度的增加。TA2纯钛经过53%冷轧变形后产生了大量的位错（见图2），金属中的这种高密度位错缠结在一起，增加了位错运动的阻力，使位错运动困难，需要增加外力来使位错运动[5]。因此，冷轧变形提高了TA2纯钛的强度和硬度。变形量27%、40%和53%的冷轧试验，有效地提高了TA2纯钛的力学性能。
4 结束语
1）TA2纯钛经过冷轧变形后，随冷轧变形量的增加，等轴状α晶粒明显细化，组织呈明显的纤维状形貌。
2）TA2纯钛随冷轧变形量增加，强度增加、硬度增大，但同时塑性降低。经过53%冷轧变形后的试样，其抗拉强度达712.9MPa，断后伸长率为7.7%，维氏硬度达294.44HV。
3）TA2纯钛力学性能变化的原因是由于变形导致了晶粒碎化，位错密度增加，因此其强度、硬度增加。
