微观组织对力学性能的影响

热机械加工工艺在工业部件制造中有着及其重要的作用，其不仅可用来获得预期的加工工件形状，还可得到预期的材料微观结构及织构演变。相比其他强化机制，晶粒细化是唯一一种可以同时提高材料强度和韧性的机制。因此，细化晶粒成为热机械加工工艺的重要研究目的。细化晶粒有很多优点，包括:(1)避免添加贵重的合金元素，从而减少成本，促进再循环;(2)无需额外的固溶时效热处理工艺来提高强度，从而降低了制作消耗;(3)提高了金属的可焊性;(4)为二次加工提供适当温度下的高应变速率超塑性［1－2］。大塑性变形被认为是制备超细晶化材料的重要工艺，因此对大塑性变形制备高性能的金属和合金的工艺参数和流程路线进行了大量的研究，等径角挤压(ECAP)、高压扭转变形(HPT)、多向锻(MAF)以及累积叠轧焊(ARB)等大塑性变形工艺随之被开发。然而，这些工艺中的复杂模具形状限制了其应用范围，因此只能适用于实验室规模。尽管多向锻(MAF)及累积叠轧焊(ARB)具有可开发且适用于大规模工业生产的应用前景，但是由于其自身的间歇批生产工艺，限制了效益最优化。另外，累积叠轧技术只能应用于板材的生产，极大地限制了其应用［3－6］。目前，大塑性变形细化晶粒工艺主要应用于低强度、低塑性的单相金属或合金，然而KumarP等［7］对高强度双相合金的大塑性变形工艺也进行了研究。采用大塑性变形工艺来得到高强度珠光体双相钢的晶粒细化，并分析了对硬度的影响规律。综上所述，大塑性变形工艺可以通过超细化晶粒来显著提高力学性能。铸态钛合金通常要经过一系列热机械加工流程，β相的体积分数会随温度的升高而增加，从而影响合金的力学性能。同时，温度对晶体织构的产生也有重要的影响。温轧作为一种有效细化晶粒的途径可制备高强度低弹性模量的钛合金。HaoYL和ZhangZB等［8－9］通过热模锻和温轧研究Ti－24Nd－4Zr－8Sn合金的晶粒细化过程，并分析了细化晶粒对力学性能的影响。韩雄伟等对钛合金等通道转角挤压时工艺参数进行了数值模拟分析及优化处理，并分析了不同条件下材料的微观组织［10］。考虑到温轧工艺对材料组织性能的综合影响，本文研究目的是通过多道温轧工艺制备超细晶化的Ti－6Al－4V合金，同时研究了工艺参数对组织、力学性能的综合影响，获得较优的轧制工艺。

1实验过程及数据

实验所用原始材料是热锻后直径为Φ150mm的两相Ti－6Al－4V合金棒材，其标定化学成分如表1所示。从原始棒材截取45mm×45mm×200mm的板坯，分别在650，700和750℃下进行温轧，总压下量约92%，总应变为2.6。在轧辊机上多道间歇加热的槽纹轧辊上进行轧制。经过每道轧辊时，板坯旋转1/4圈，从而改变90°的轧制方向，最终，合金经过水淬来保持高温下的组织。沿长度方向取标距为25mm、直径为Φ6.25mm的圆棒作为拉伸试样。试样经过抛光后，用凯勒试剂腐蚀后进行金相观察。采用电子背散射衍射(EBSD)技术测试显微织构，并通过TSLOIM6软件采集分析晶粒取向数据。

2实验结果及分析

2.1显微组织演化

如图1中Ti－6Al－4V合金的扫描电镜下和光学显微镜下所示，原始材料中α相的平均晶粒尺寸为15μm。图2为Ti－6Al－4V合金在650，700和750℃下，均匀累积应变为2.6时的多道次温轧后的合金微观结构。由图2可见，与单一相结构相比，初始微观组织中包含(α+β)双相结构，在轧制过程中将获得完全不同的结果。轧制后的层状双相板材试样中，β几乎不可见。不同轧制温度下，可观察到完整的β相碎片及其在α相中的均匀分布。650℃下，β相非常细小，且均匀分布在试样的横断面上，如图2a所示。随着轧制温度的升高，β相的尺寸呈单调递增的趋势，如图2c和图2e所示。为进一步观察微观组织演化过程，采用EBSD对材料不同成形阶段的相组织进行分析，如图3所示。由图3a、图3c和图3e可分析出变形过程中沿边界部分β相的分布情况。对比两相比例不难发现，随着成形温度的不断升高，β相所占比重逐渐降低，具体数据为650℃占16.9%，700℃占8.8%，750℃占2.2%。α钛的平均晶粒尺寸在3种成形温度下分别为0.25，0.36和0.53μm。IPF图同时显示，大部分α晶粒方向分布在{1011}轧向。

2.2织构演变

不同成形条件下α相的织构演变过程如图4所示。在＜1010＞面沿轧制方向形成一定的丝织构，且随着成形温度的升高，织构强度逐渐降低。图4中清晰地表现出650℃时大多数晶粒具有沿＜1010＞面的取向，但随着成形温度的不断升高，一些晶粒会向＜2110＞方向旋转。

2.3力学性能

图5为Ti－6Al－4V在不同温度下进行多道次温轧所获得的力学性能比较。由图5可以得出，多道次温轧可很大改善该种钛合金的力学性能，最大的屈服强度为1191MPa。650℃、伸长率为10%时的抗拉强度为1299MPa。换言之，多道次温轧时，在无任何塑性指标损失的情况下，抗拉强度提高了50%，屈服强度提高了47%。

3结论

(1)通过多道次温轧工艺，可获得Ti－6Al－4V钛合金的超细晶棒材，且目前已获得直径为Φ12mm的Ti－6Al－4V棒材，材料的长度可达几米，甚至更长，可为具体的工业应用提供了非常好的试验基础。(2)轧制工艺可提高材料的力学性能，如抗拉强度提高50%，屈服强度提高47%。650℃时可获得的抗拉强度为1300MPa，屈服强度为1200MPa。(3)通过多道次温轧工艺，可获得平行于轧制方向的丝织构，且通过改变工艺参数，可对α相的织构进行控制。

作者：凌敏 单位：贵州理工学院 材料与冶金工程学院