钛合金轧制影响因素

轧制压力的影响因素

影响轧制压力的主要因素有：

（1）绝对压下量在轧辊直径和摩擦系数相同的条件下，随着绝对压下量的增加，轧件与轧辊的接触面积加大，轧制压力增加。同时接触弧长增加，外摩擦的影响加剧，平均单位压力增加，轧制压力也随之增大。

（2）轧辊直径在其他条件一定时，随着轧辊直径的加大，接触面积增加，同时接触弧长增加，外摩擦的影响加剧。因而，轧制压力增大。

（3）轧件宽度随着轧件宽度的增加，接触面积增加，轧制压力增大。

（4）轧件厚度随着轧件厚度的增加，轧制压力减小；反之，轧件愈薄，轧制压力愈大。

（5）轧制温度随着轧制温度的升高，变形抗力降低，平均单位压力降低，轧制压力减小。

（6）摩擦系数随着摩擦系数的增加，外摩擦影响加大，平均单位压力增加，轧制压力增大。

（7）轧件的化学成分在相同条件下，轧件的化学成分不同，金属的内部组织和性能不同，轧制压力也不同。

（8）轧制速度热轧时随着轧制速度的增加，变形抗力增加。冷轧时随着变形速度的增大、轧件温度的升高变形抗力有所降低。

轧制压力

轧制压力：辊加于轧件使之产生塑性变形的力。但通常把轧件作用于轧辊上并通过压下螺丝传递给机架的力称为轧制力，即是轧件加于轧辊的反作用力的垂直分量。轧制力在我国习惯称为轧制压力或轧制总压力。正确测定和计算轧制力，对于设计和使用轧机有重大意义。

影响轧制力的因素有两类：（1）影响轧件材料在简单应力状态下变形抗

力σ0的因素，如化学成分、组织、轧制温度和速度、加工硬化等。（2）影响变形应力状态的因素，如轧辊直径、轧件尺寸、表面摩擦、外力（张力或推力）等。确定轧制力的方法有理论计算、经验公式计算和实测法三种。

在熔炼TiNiCr低温超弹性合金（形状记忆合金）时，对Ti、Ni、Cr、C、H、O、N成份的控制，是获得理想合金的关键。首先O含量的增加不仅使相变温度下降，而且使记忆性能和力学性能恶化。O在高温下与Ti发生反应，熔炼时尤为剧烈，同时O和Ti生成的化合物一般是不可逆的，所以要严格控制熔炼时材料中的氧平衡量。还有Ti和耐火材料几乎都会发生反应。其次C含量对TiNiCr低温超弹性合金的力学性能影响不明显，但对热弹性马氏体的相变有影响，C在Ni中有大的溶解度，形成的TiC会阻碍孪晶界的运动及马氏体的再取向，使相变滞后扩大，回复率下降，对形状记忆效应和超弹性都不利。而且，C和单质Ti和Ni均反应，使TiNi合金中的C含量增加，然而C和TiNi合金的反应并不剧烈，可使C质量分数控制在0.05%左右。碳质量分数控制在0．05％左右。所以通常使用三高石墨坩埚真空感应熔炼制备合金锭，这样可降低熔炼时碳的污染，保证碳和氧的含量小于500p。g／L。

固溶热处理：

将合金加热至高温单相区恒温保持,使过剩相充分溶速冷却,以得到过饱和

固溶体的热处理工艺。

时效处理可分为自然时效和人工时效两种，自然时效是将铸件置于露天场地半年以上，便其缓缓地发生变形，从而使残余应力消除或减少，人工时效是将铸件加热到550～650℃进行去应力退火，它比自然时效节省时间，残余应力去除较为彻底。

金属的强度和塑性和晶粒大小都有关系。

首先是强度，存在一个霍尔佩奇公式，材料强度随晶粒大小变小而变强，温度升高强度会大幅减小，可是这个公式在纳米晶粒时候不适用，纳米晶的强度增强的更大；但单晶体强度不遵循上述规律，单晶体的强度很强，并且在高温时候仍能保持很强强度。

塑形，是晶粒越细塑形越好。

细化晶粒的方法，

1.凝固控制，包括晶粒细化剂（一般是中间合金），晶粒细化元素；缩短凝固时间，这个不能太过，太多会产生非晶；凝固过程施加电磁搅拌之类的外力物理细晶。

2.已经成锭的可以锻造细化晶粒（这种方法在一定条件下可以制备纳米晶，参考卢柯院士的相应文章）；冷加工轧制可以在轧制方向细化晶粒，然后再结晶也可以细化晶粒。

金属冷变形程度的大小对再结晶形核机制和再结晶晶粒尺寸的影响晶体再结晶需要一个最小变形量，称为临界变形量。但变形量小于临界变形量时，不发生再结晶。当高于临界变形量时，能再结晶但晶粒粗大。以后随变形量增加，晶粒尺寸变小。

形核机制有两种：

1、已存在晶界的引出形核：晶粒变形小的时候较易发生这种；

2、亚晶合并形核或直接长大：变形率大的。

再结晶形核是现存于局部高能量区域内的，以多边化形成的亚晶为基础形核。亚晶粒本身是在剧烈应变的基体通过多边化形成的，几乎无位错的低能量地区，它通过消耗周围的高能量区长大成为再结晶的有效核心，因此，随着形变度的增大，会产生更多的亚晶而有利于再结晶形核。

当变形量很小时，储存能不足以驱动再结晶，晶粒尺寸为原始晶粒尺寸。当变形量增大到一定程度时，此时的畸变能已足以引起再结晶，但由于变形程度不大，形核率与长大速率比值很小，因此得到特别粗大晶粒。随着变形量增大，驱动形核与长大的储存能不断增大，而形核率增大较快，使形核率与长大速率比值增大，得到再结晶晶粒越来越细化。

一次再结晶完成时标示着储存能消耗殆尽，若再结晶充分，也说明再结晶晶粒靠在一起了，再结晶晶粒停止长大。对于后面的问题，可以如下理解：形变程度小，意味着再结晶形核的场所少，形核率低，在储存能足够的基础上，这些再结晶新晶粒有充分的空间满足其长大（只要给足温度条件）（能量多，形核少，再结晶新晶粒就可以长得比较粗大）；当形变程度大，再结晶的形核率高，再结晶新晶粒形核长大很快遇到相邻再结晶晶

粒，两者都是“干净”的晶粒，提早终止了长大（能量多，形核也多，再结晶新晶粒基本均匀长大，总体长大的相对较小）。所以，才会考虑利用大应变提高形核率细化组织。

入口锥的主要参数是入口锥角β和长度L。入口锥角β的大小要适当，角度过大润滑剂不易储存，易造成拉拔润滑不良；角度过小，则拉拔时产生的金属屑、粉末等不易随润滑剂流掉，堆积于模孔中影响制品的质量，甚至还会造成夹灰、划沟、拉断等缺陷。生产中硬质合金模的入口锥角β大小一般为40°，入口锥的长度L一般取定径带直径的0.6倍。棒材拉拔中润滑锥常用R=4~8mm的圆弧代替。

在回复阶段硬度的变化很小，约占总变化的1/5；在再结晶阶段变化很大，占4/5。硬度一般是和强度成正比例的一个性能指标，所以由此推论，回复过程中强度的变化也应该和硬度的变化相似。

形变引起的硬度和强度的增加量主要取决于位错密度，由此可推出，在回复过程中，位错密度的减小有限，只有达到再结晶阶段时，位错密度才会显著下降。

位错密度的数量级我不清楚了，但是其强度和位错密度的关系差不多是个U型字母，既开始随着位错密度增大，金属强度是降低的，在退火状态下是金属强度最低的时候，之后随着位错密度增加，强度增加，这里就比如说加工硬化，位错增加，硬度提高了

热电偶测温原理

两种不同金属焊接成的闭合电路叫做热电偶。

由于不同金属自由电子的气密度不一样，在焊接处两种金属中的自由电子相互扩散出现差异，致使两金属接触处出现一个电势差，此为接触电动势。

接触电动势除了与两种金属性质有关外还与温度有关，在温度相同的情况下，两接头处电动势数值相等，方向相反，总电动势为零。如果两接头处温度不同，两电动势数值不同，总电动势就不为零，闭合电路就会出现电流，这种由温差引起的电流叫做温差电流。

用温差电偶测量温度的方法是：令一个接头的温度已知，另一接头插入待测温度的物体中，测出电偶内出现的温差电流，便可推知被测温度。加工硬化：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时，由于晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，使金属的强度和硬度升高，塑性和韧性降低的现象，称加工硬化或冷作硬化。随着冷变形程度的增加，金属材料强度和硬度指标都有所提高，但塑性、韧性有所下降。

加工硬化简介：

金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象。又称冷作硬化。产生原因是，金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，金属内部产生了残余应力等。加工硬化的程度通常用加工后与加工前表面层显微硬度的比值和硬化层深度来表示。

在纳米材料中也会出现加工硬化现象，此时的硬化行为多认为和位错运动密切相关。

加工硬化给金属件的进一步加工带来困难。如在冷轧钢板的过程中会愈轧愈硬以致轧不动，因而需在加工过程中安排中间退火，通过加热消除其加工硬化。又如在切削加工中使工件表层脆而硬，从而加速刀具磨损、增大切削力等。但有利的一面是，它可提高金属的强度、硬度和耐磨性，特别是对于那些不能以热处理方法提高强度的纯金属和某些合金尤为重要。如冷拉高强度钢丝和冷卷弹簧等，就是利用冷加工变形来提高其强度和弹性极限。又如坦克和拖拉机的履带、破碎机的颚板以及铁路的道岔等也是利用加工硬化来提高其硬度和耐磨性的。

固溶强化：

合金元素固溶于基体金属中造成一定程度的晶格畸变从而使合金强度

提高的现象。

原理：

融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。这种通过融入某种溶质元素来形成固溶体而使金属强化的现象称为固溶强化。在溶质原子浓度适当时，可提高材料的强度和硬度，而其韧性和塑性却有所下降。

影响因素

（1）溶质原子的原子分数越高，强化作用也越大，特别是当原子分数很低时，强化作用更为显著。

（2）溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大。

（3）间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果，且由于间隙原子在体心立方晶体中的点阵畸变属非对称性的，故其强化作用大于面心立方晶体的；但间隙原子的固溶度很有限，故实际强化效果也有限。

（4）溶质原子与基体金属的价电子数目相差越大，固溶强化效果越明显，即固溶体的屈服强度随着价电子浓度的增加而提高。

程度：

固溶强化的程度主要取决于两个因素：

1.原始原子和添加原子之间的尺寸差别。尺寸差别越大，原始晶体结构受到的干扰就越大，位错滑移就越困难。

2.合金元素的量。加入的合金元素越多，强化效果越大。如果加入过多太大或太小的原子，就会超过溶解度。这就涉及到另一种强化机制，分散相强化。

3.间隙型溶质原子比置换型原子具有更大的固溶强化效果。

4.溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，固溶强化作用越显著。

效果：

1.屈服强度、拉伸强度和硬度都要强于纯金属

2.绝大部分情况下，延展性低于纯金属

3.导电性比纯金属低很多

4.抗蠕变，或者在高温下的强度损失，通过固溶强化可以得到改善

解理断裂是在正应力作用产生的一种穿晶断裂，即断裂面沿一定的晶面（即解理面）分离。解理断裂常见于体心立方和密排六方金属及合金，低温、冲击载荷和应力集中常促使解理断裂的发生。面心立方金属很少发生解理断裂。

解理断裂通常是宏观脆性断裂，它的裂纹发展十分迅速，常常造成零件或构件灾难性的总崩溃。

解理断裂断口的轮廓垂直于最大拉应力方向。新鲜的断口都是晶粒状的，有许多强烈反光的小平面（称为解理刻面）。解理断口电子图像的主要特征是“河流花样”，河流花样中的每条支流都对应着一个不同高度的相互平行的解理面之间的台阶。解理裂纹扩展过程中，众多的台阶相互汇合，便形成了河流花样。在河流的“上游”，许多较小的台阶汇合成较大的台阶，到“下游”，较大的台阶又汇合成更大的台阶。河流的流向恰好与裂纹扩展方向一致。所以人们可以根据河流花样的流向，判断解理裂纹在微观区域内的扩展方向。

解理断裂的电子图象，具有河流花样，河流花样变化处为小角度倾斜晶界。

微型电动机主轴的解理断裂的电子图象，具有羽毛状花样，在羽毛状花样上还可观察到小的舌状花样。

断裂原因

导致金属零件发生脆性的解理断裂有材料性质、应力状态及环境因素等众多原因。

（1）、从材料方面考虑，一般只有冷脆金属才能发生解理断裂。面心立方金属为非冷脆金属一般不会发生解理断裂。

（2）、构件的工作温度较低，即处在脆性转折温度以下。

（3）、只有在平面状态（即三向拉应力状态）下才能发生解理断裂，或者说构件的几何尺寸属于厚板情况。

（4）、晶粒尺寸粗大。

（5）、宏观裂纹存在。

防止措施

（1）、消除或减小构件上的裂纹尺寸。

（2）、细化晶粒。

（3）、消除或减少金属中的有害杂质。

（4）、采用双钢代替单一的马氏体组织材料。