典型钛及钛合金的组织与性能综述

典型钛及钛合金的组织

与性能综述

Document number：BGCG-0857-BTDO-0089-2022

典型钛合金的组织与性能文献查阅总结

1.α型钛合金

α型钛合金中又分为全α型钛合金和近α型钛合金，工业纯钛属于α型钛合金，此外一般α合金含有6%左右的Al和少量中性元素，退火后几乎全部是α相，典型合金包括TA1~TA7合金等；近α型钛合金中除了含有Al和少量中性元素外，还有少量（不超过4%）的稳定元素，如

TA15、TA16、TA17等。

工业纯钛

工业纯钛按杂质元素含量分为TA1、TA1ELI、TA1-1、TA2、TA2ELI、TA3、TA3ELI、TA4、TA4ELI9个牌号，相变点大约为900℃。工业纯钛具有高塑性、适当的强度、良好地耐蚀性以及优良的焊接性能等特点，广泛应用于化工设备、滨海发电装置、海水淡化装置、舰船零部件等，其冷热加工性能好，可生产各种规格的板材、棒材、型材、带材、管材和丝材，一般在退火状态下交货使用。典型的工业纯钛显微组织如图1-3所示：

图1 TA1板材650℃/1h退火态组织：等轴α+少量晶间β

图2 TA2大规格棒材600℃/1h退火态组织：等轴α

图3 TA3板材800℃/1h退火态组织：等轴α+含有针状α转变的β TA1钛管的组织与性能[]

[]庞继明，李明利，李明强等. 退火温度对TA1钛管材组织和性能的影响[J]. 钛工业进展. 2011, 28(2): 26-28

研究方法：TA1铸锭经过2500t水压机开坯锻造和1600t卧式挤压机热挤压，最终获得φ45×7mm的管坯。管坯经两辊和三辊管材冷轧机轧制成φ12×的管材。将管材置于真空热处理炉中，分别加热至450，475，490，500，550，600，650，700℃，保温90min，随炉冷却。

a）TA1钛管的显微组织

图1为冷加工态及不同的温度热处理后的TA1管材横向显微组织。可以看出，冷加工态的TA1管材组织混乱且有部分晶粒破碎不完全；700℃下的组织已完全再结晶、等轴化，与650℃的相比晶粒已明显长大。在相同的保温时间里，随着退火温度的提升，再结晶晶粒逐渐粗化。

图1 TA1钛管经不同温度退火处理后的横向显微组织

b）TA1钛管的力学性能

加工态TA1管材的抗拉强度为570MPa, 屈服强度为520MPa, 延伸率为17%。图2为经不同温度处理后的TA1管材的力学性能。由图2可以看出,随着热处理温度的升高, 材料的抗拉强度和屈服强度逐渐下降并趋于稳定, 延伸率逐渐增大。

图2 热处理温度对TA1管材力学性能的影响

TA2薄板的组织与力学性能[]

[]蒋建华，丁毅，单爱党. 冷轧工业纯钛的微观组织和力学性能[J]. 中国有色金属学报. 2010, 20(1):58-61

研究方法：将初始厚度为9mm的二级工业纯钛TA2板异步轧制至，其中部分样品同步轧制至，实验中异步轧制采用同径异步轧制方法，上下辊径均为130mm，上辊速度固定为33r/min，下辊速度在0~33 r/min可调，实验中采用22 r/min，异速比为。当下辊速度也为33 r/min，即为同步轧制。

a）TA2薄板不同轧制工艺的力学性能

原始热轧态材料的强度为450MPa，伸长率大于25%。经过83%的异步轧制后强度达到800MPa，而伸长率则下降到9%，再经过进一步同步轧制后（轧下量80%），强度提高到960MPa，伸长率进一步下降至7%，如图1所

示。通常情况，对称轧制能够使材料产生加工硬化，而晶粒细化效果不大；而不对称轧制由于附加有剪切应力，会使材料中晶粒产生细化效果。

图1 不同轧制工艺TA2板的拉伸曲线

b）TA2薄板不同轧制工艺的微观组织

从图2可以看出，轧制前TA2薄板的微观组织，晶粒大小在50μm左右，晶粒形貌没有明显拉长，在晶粒内部有条状结构，可能为变形孪晶。经过异步轧制和同步轧制后的显微组织不能看到明显的晶粒形貌，但是可以看到材料变形后的流变情况，类似于剪切带。

通过TEM对轧制后的组织进行精细结构观察可以看到（图3），经过83%异步轧制的组织包含了拉长的晶粒和等轴晶粒，平均晶粒尺寸小于1μm，晶粒内部有大量位错。经过83%异步轧制+80%同步轧制的晶粒基本为等轴晶粒，尺寸在μm左右。

图2 TA2薄板的金相组织：(a)热轧态；(b) 83%异步轧制；(c) 83%异步

轧制+80%同步轧制

图3 TA2薄板的TEM形貌：(a) 83%异步轧制；(b) 83%异步轧制+80%同步

轧制

TA1高温动态拉伸力学行为 [1]

[]Huang W, ZanX, Nie X, et al. Experimental study on the dynamic tensile behavior of a poly-crystal pure titanium at elevated temperatures [J]. Mater Sci Eng, 2007, A443: 33-41

[]陈翔, 龚明, 夏源明. 工业纯钛高温动态拉伸力学行为的微观机制[J]. 中国科学技术大学学报，2009 39(6):619-626

a）TA1不同温度和应变速率下的拉伸曲线

由准静态下不同温度的加载试验发现，工业纯钛的力学行为除表现出热激活控制的位错滑移机制主导的温度相关性外, 在500~900K之间内还明显受杂质含量的影响, 出现屈服应力、流动应力、应变硬化率和断裂应变等随温度的反常变化现象。目前人们对上述现象的微观解释是工业纯钛在相应的变形工况下发生了溶质原子与位错相互作用的动态应变时效过程。

图1 准静态和动态下不同温度的拉伸应力应变曲线

b）力学性能的温度相关性和应变速率相关性规律

在10-3s-1应变速率下，变形温度为623K< Ts< 773K时，如图2( a) 所示，流动应力—温度曲线下降趋于平缓，显示流动应力的温度相关性明显降低。应变硬化率在准静态条件约423~623K间和动态条件约523~ 773K 下受温度影响较小, 其他条件下与温度呈明显的负相关性。

应变速率相关性：如图2( b) 所示, 同一应变速率下的伸长率—温度曲线在动态条件下呈“U”形趋势，而在准静态条件下呈“W”形的趋势；其中在温度为773K时，试样的断裂应变出现极小值点(俗称“蓝脆”点)。在不同温度下准静态的应力应变曲线均看不到明显的屈服点( 见图1( a) , ( b) )；而在动态加载下，当Ts > 693K时出现了明显的屈服点；在1400s-1应变率下, 流动应力在屈服点后还发生了振荡(见图1(d))。

图2温度和应变速率对TA1流动应力(a)和伸长率(b)的影响

c）不同温度和应变速率下的显微组织

金相观察结果如图3所示，所观察的试件中晶粒均在拉伸方向伸长。孪晶的出现能使晶粒细化，因此动态试件中的平均晶粒尺寸明显小于相应温度下的准静态试件。另外，变形温度在773K以上的各试件中，晶粒整