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Newly compiled on November 23, 2020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βTA1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):619-626a）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，晶粒整体形貌与未变形时相比变化很小，在TEM下也发现其位错密度等变形特征大大减少。

由于773K已达到纯钛的再结晶温度(纯钛熔点为1941K) ，因此结合以上观察结果可以断定高温加载条件下的断裂应变增加、应变硬化率降低等现象均是由于试验中试件发生动态再结晶，使内部缺陷在变形的同时得到修复的缘故。

图3 几种典型加载工况下变形后试样的金相组织，箭头为拉伸方向TA2板材90°ECAP变形工艺的组织与性能 [1][]刘晓燕，赵西成，杨西荣等. 退火温度对90°ECAP变形工业纯钛组织和性能的影响[J]. 金属热处理，2013，38(1): 92-96研究方法：将TA2板材加工成18mm×18mm×70mm的ECAP试样，放入两通道夹角90°，外圆角20°的等径弯曲通道变形模具中在室温下进行1道次ECAP变形，挤压速度为s。

本试验单道次等效应变为。

a）等径弯曲通道变形后的显微组织室温90°模具ECAP变形工业纯钛1道次后的显微组织如图1所示。

图1(a )中可以看出变形后，横断面晶粒基本保持等轴状，且晶粒内部发生了剧烈塑性变形。

图1( b)显示，ECAP变形后，纵断面的晶粒被明显拉长，具有明显的方向性，其与X轴( 挤出方向) 的夹角约为27°，这与ECAP变形1道次的剪切特征吻合。

图1 ECAP变形后工业纯钛的显微组织(a)横截面;(b)纵截面b) 退火温度对显微组织的影响从图2（a）（b）可以看出，工业纯钛在400℃经过1h退火后，退火后组织与工业纯钛1道次ECAP冷变形后组织类似，仍然保持明显的方向性，但是晶界较清晰，说明经过400℃退火1h后，变形组织已经发生回复，应力释放。

在500℃退火1h时(见图2(c)，(d))，发生大范围内的再结晶，而且再结晶核心逐渐长大横断面基本看不到原始晶界，但是纵断面仍然可以观察到宏观拉长的变形组织，即500℃退火1h未改变原始变形组织的方向性，没有完全再结晶。

在600℃退火1h (见图(e)，(f))，变形组织已经完全再结晶并晶粒长大，得到平均晶粒尺寸约为12μm的等轴状的再结晶组织。

通过上述观察分析，工业纯钛在高于400℃退火时，由于开始发生再结晶现象，随温度升高，晶粒逐渐开始长大，强度硬度开始降低，热稳定性能变差图2 工业纯钛ECAP变形试样不同温度退火1h横(a，c，e)、纵(b，d，f) 截面的光学显微组织( a，b)400℃；(c，d) 500℃；(e，f)600℃c) 退火温度对力学性能的影响工业纯钛室温1道次ECAP变形试样在不同温度退火1h的抗拉强度、伸长率和显微硬度随退火温度变化如图3所示。

随着退火温度升高，抗拉强度和显微硬度逐渐降低，伸长率逐渐提高。

当退火温度为400℃时，抗拉强度和显微硬度下降缓慢，当退火温度高于400℃时，抗拉强度和显微硬度迅速下降，伸长率显着提高，这也与图2中不同温度退火后的显微组织相对应，即室温工业纯钛1道次ECAP变形试样在400℃、500℃和600℃退火1h后分别发生回复、变形试样大范围内再结晶和完全再结晶并且晶粒长大。

在600℃退火1h后硬度为 1204MPa，低于初始热轧态工业纯钛硬度(1380MPa)，这是因为初始组织中有大量孪晶的存在。

图3 退火温度对ECAP试样抗拉强度显微硬度和伸长率的影响d) 不同退火温度后拉伸断口形貌工业纯钛所有的中心拉伸断口区域存在大量的等轴韧窝，表现出典型的韧性断裂特征。

韧窝随退火温度的降低而变得细小均匀，在韧窝的底部存在一些小孔洞，这是断裂的起始位置。

这些空洞可能是杂质所产生的。

由ECAP变形1道次Y面的显微组织(图1(b) )可知，晶粒被拉长，且与挤出方向呈27°。

尽管1道次变形后，晶粒沿长度方向不能细化到一个较小的水平，但是平均宽度较小，这使ECAP变形试样断口的韧窝尺寸也较细小。