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退火工艺对力学性能的影响

 论文栏目:力学性能论文     更新时间:2018/10/11 15:00:18   

摘要:通过热处理试验,研究了不同热处理制度对Ti85合金组织和性能的影响。结果表明:退火制度对Ti85合金的组织和性能有较大影响。随着退火温度的上升,显微组织中的α相含量减少,强度增加,在保证强度和塑性未有较大变化时,冲击韧性在995℃/180min,AC(空冷)的条件下达到最大。本试验最佳热处理制度为995℃/180min,AC。

关键词:Ti85合金;退火;显微组织;力学性能

近年来,随着海洋开发和舰船行业的发展,对舰船用材料的要求越来越高,因此,具有优良的强度、塑性、韧性和良好的焊接性能的材料受到青睐。而钛及钛合金具有密度小、比强度高,耐腐蚀、耐热、低温性能好,无磁性等良好的综合力学和物理化学特性,在航空航天、生物医疗、海洋等领域获得了广泛应用。国外对舰船用钛合金有较早的研究,并在高端武器装备上获得了很多成功的应用,国内对耐蚀合金研究较晚,洛阳725研究所通过成分设计研究出Ti80合金,Ti80合金的名义成分为Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo,是我国自行研制的875MPa级耐蚀可焊结构α+β型钛合金,对其热处理工艺的研究也较多[1-3]。该合金耐蚀性、焊接性和断裂韧性明显优于TC4-DT合金,但是冲击韧性较低。通过添加Fe优化设计出Ti85合金,其名义成分Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo-0.5Fe,该合金应用前景是水下兵器的承力构件、螺栓和压力容器等,是一种新型的α+β型海洋钛合金。该合金相比其他同类钛合金,有相近或者更优越的综合性能。Ti85合金具有对偏析不太敏感、淬透性好、强度优异和冲击韧性较高等优点,所以该合金具有很好的开发潜力和市场前景,可以作为海洋用耐蚀合金的重要候选材料之一。国内外相关研究学者对海洋用钛合金组织和性能的调控做了很多工作[4-6]。Ti85合金是一种新型α+β型钛合金,其组织和性能的调控尚未报道。本文针对这一现状,制定试验方案,探索了不同热处理制度对Ti85钛合金的影响,以便获得组织和力学性能良好的匹配关系,为优化该合金热处理工艺和工程化应用提供科学的理论依据。

1试验材料和方法

Ti85合金原材料为经过3次VAR(真空自耗炉)熔炼的棒材,原始铸态晶粒通过β相区锻造,晶粒细化,最终在两相区(相变点以下约45℃)锻造成棒材,化学成分如表1所示。采用金相法测得材料Tβ为(1010±5)℃。原始态显微组织OM照片如图1所示。由图可看出,初生α相含量约30%,呈球状,长棒状和短棒状的次生α相分布在β相中,属于典型两相细化组织结构。

2试验结果与讨论

2.1退火制度对力学性能的影响

材料的强度和韧性常常表现出此消彼长的特性。为了获得良好的综合力学性能,可以通过不同的热处理制度进行调控,从而获得良好的强塑性或者强韧性匹配关系。表2为Ti85合金的退火热处理工艺与室温拉伸性能,显示了HT1~HT3试样在同一退火温度不同保温时间的室温拉伸性能。可看出随着保温时间的增加,合金的Rm和Rp0.2均降低;A、KV先增大后减小,Z增大。表2中还有HT4、HT2、HT5试样在同一保温时间不同退火温度的拉伸性能。可以看出随着退火温度的升高,合金的Rm和Rp0.2升高,A和Z均下降,KV先增大后减小。由此可见,HT2(995℃/180min,AC)为最优的强塑性、强韧性匹配制度。

2.2退火制度对显微组织影响

图3是Ti85合金在不同保温时间(不同热处理工艺)下的显微组织。从表2和图3可以看出,合金在995℃/180min和AC条件下进行热处理,性能达到最佳,与995℃/150min相比初生α相的含量未改变,如图3(a)、(b)所示。这是由于在995℃/150min,AC条件下进行热处理,次生α相未来得及长大,表现为组织中的次生α相较为细小,抵抗裂纹扩展的能力下降,导致冲击韧性较低;相反延长保温时间,如图3(c)所示,在995℃/210min和AC条件下热处理,次生α相由于长时间保温,次生α相的厚度和间距明显增加,次生α相较为粗大,抵抗裂纹扩展的能力下降,从而降低了冲击韧性。图4是Ti85合金在不同退火温度(不同热处理工艺)下的显微组织。从表2和图4可以看出,随着温度的上升,初生α相和次生α相的含量逐渐减小,初生α相的百分含量由980℃/180min的40%左右减小到1000℃/180min的15%左右,合金的强度在此过程中逐渐上升,冲击韧性在995℃/180min和AC条件下进行热处理达到最高值,而强度和塑性并未明显下降。说明在180min的保温时间可以使组织中的次生α相长大到合理的厚度。此时组织中的初生α相含量约为25%。

2.3冲击试样断口分析

图5是Ti85合金冲击试样(热处理条件:995℃/180min,AC)断口形貌。从图5可看出,冲击试样整体断口上分布着大量而密集的韧窝,没有明显的滑移造成的平坦滑移区,以韧窝断裂为主,属于韧性断裂。

3结论

(1)Ti85合金作为一种新型的两相钛合金,最佳的强韧性匹配的热处理条件为995℃/180min,AC。(2)Ti85合金在不同的热处理条件下,随着热处理温度的上升,组织中的α相减少,强度上升,在保证强度和塑性未有较大变化时,冲击韧性在995℃/180min,AC的条件下达到最大。(3)冲击韧性试样整体断口上分布着大量而密集的韧窝,没有明显的滑移造成的平坦的滑移区,以韧窝断裂为主,属于韧性断裂。

参考文献:

[1]罗锦华,朱燕丽,孙小平,等.热加工及热处理工艺对Ti80合金棒材组织和性能的影响[J].钛工业进展,2016,33(2):20-24.

[2]马凡蛟,杜予癶,刘芝侠,等.退火工艺对Ti80合金组织与性能的影响[J].金属热处理,2012,37(4):94-97.

[3]沈立华,刘彦昌,李修勇,等.退火温度对Ti80合金棒材组织与性能的影响[J].钛工业进展,2018,35(1):29-31.

[4]孙虎代,王田,陶海林,等.轧制温度及退火温度对TA5钛合金棒材组织和性能的影响[J].中国钛业,2017,14(4):40-43.

[5]雷晓飞,董利民,张志强,等.退火工艺对TC6钛合金棒材显微组织和力学性能的影响[J].稀有金属材料与工程,2017,46(1):80-84.

[6]李瑞锋,宋蕊池,张学伟,等.TC6合金小规格棒材热处理工艺研究[J].中国钛业,2016,13(4):21-24.

作者:王琛 曹静 齐铭 安震 单位:西安航空学院 材料工程学院

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