纯钛叠层轧制的织构组织研究
纯钛叠层轧制的织构组织研究
本文以一种工业纯钛TA16为初始研究对象，运用X射线衍射、金相显微镜、透射电子显微镜、等先进表征技术，对TA16板材在轧制变形量10%和50%情况下的织构组织进行了研究。结果表明，不同的轧制变形量下TA16片层组织等轴化进行的程度不同，变形量越大就越有利于片状α相等轴化的进行，孪晶密度也随着轧制变形量的增加而变大。结果还表明，随着轧制变形量的增加，晶粒沿着轧制方向变形伸长趋势更加明显，位错密度增大，有滑移带产生，同时位错和滑移带的相互切割作用，使得合金的组织不断细化。
关键词 TA16工业纯钛，叠层轧制，轧制变形量，织构组织
1 引言 1
1.1 纯钛与钛合金的现状 1
1.2 纯钛的轧制成型 2
1.3 纯钛的冷轧加工特性 3
1.4 叠层轧制对钛及其合金的组织性能影响 5
1.5 本课题的研究意义 8
2 实验材料与研究方法 8
2.1 实验材料与设备 8
2.2 实验设备 9
2.3 2.3实验方法及过程 10
3 实验结果分析 10
3.1 TA16无变形的织构组织研究 11
3.2 TA16轧制变形后的金相组织研究 12
3.3 TA16轧制变形后TEM的观察 13
3.4 TA16轧制变形后XRD的观察 15
结论 16
致谢 17
参考文献 18
1 引言
1.1 纯钛与钛合金的现状
1.1.1 钛的研究背景
钛是一种常见的化学元素，原子序数22，化学符号Ti，是一种过渡金属，颜色为银白色。钛的物理特征是重量轻、强度高、金属有光泽。钛的化学特征有很多比如有良好的耐低温以及耐高温还有抗强碱、抗强酸的特点，还有具有低密度、高强度的特征，所以钛被称作“太空金属”[1]。钛有两个比较重要的特性，抗腐蚀性和相当高的强度重量比。钛如果在非合金的状态下，钛的强度跟某些钢相似，但还是要比那些刚轻45%。钛合金经常用于制作飞机发动机的部件，并且钛合金在火箭、导弹和高速飞机的结构件上也有很多运用[2-3]。
钛是一种重要的结构金属，在50年代迅速的发展起来，由于钛合金具有的比强度高、耐热性高、耐蚀性好等特点，钛合金在各个领域都有应用。钛合金的重要性得到了许多国家的重视，对其进行大量的研究并应用于实际。1954年美国研制成功的Ti-6AI-4V合金是第一个用于实际的钛合金，该钛合金的密度比纯钛要低的多。由于Ti-6AI-4V具有的良好的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性，使Ti-6AI-4V成为钛合金工业中的王牌合金，这种合金在实际运用中已占到75%~85%。至于剩下的合金可以说是Ti-6AI-4V合金的改型。20世纪的60年代，钛合金主要是用于发展航空发动机和飞机机体用的结构钛合金，到了70年代的时候，开发出许多耐蚀钛合金，如Ti-Ni、Ti-i-Fe等形状记忆合金，广泛的用于工程之中。等到80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到和好的改进，我们也发现耐热钛合金的使用温度发生变化，从50年代的400℃提高到90年代的600-650℃，增加很多。目前为止，钛合金的种类有数百种，比较常见的合金有20多种，钛合金是在工业中是非常重要的轻质合金材料，钛合金的应用前景非常广阔，比如在航空航天、汽车、生物医学等领域，是高速飞行器和大型飞机选用的良好结构[4]。
1.1.2 钛和钛合金的性质
钛的熔点为1668℃，相比铁而言熔点高138℃，钛是轻金属中的熔点高的金属。纯钛的电阻率、导热率和比容与奥氏体不锈钢的值基本一样，但是纯钛密度小，热容小的特性，加热或是冷却都比较容易。钛在常温下，表现出密排六方结构的低温相，当温度达到882.5℃时会转变为体心立方结构的β相。钛的密度4.504~4.512克/立方厘米，密度高于铝但是却低于铜、铁、镍。钛的比强度是金属中最高的。熔点1667±4℃，沸点3260±20℃，熔化潜热3.7~5.0千卡/克原子，钛合金汽化潜热为102.5~112.5千卡/克原子，临界压力为1130大气压，临界温度达到4350℃[5]。钛的导热性和导电性是比较差的，稍微低于不锈钢，钛具有很好的超导性，金属钛是顺磁性物质，导磁率达到1.00004，纯钛的超导临界温度为0.38~0.4K。
钛具有可塑性，纯钛的断面收缩率可以达到70~80%，延伸率可以达到50~60%，但断面收缩时产生的力度是很低的，不太适合作结构材料。钛中多少会存在杂质，这些杂志对钛的机械性能影响非常大，尤其是间隙杂质，如氧、氮、碳等可提高钛的强度，明显降低其塑性。钛是一种结构材料，钛具有的优良的机械性能可以通过控制钛中的杂质含量或者通过添加的合金元素而得到。
纯钛是一种较活泼的金属，纯钛的平衡电位低，而且纯钛在介质中的热力学腐蚀倾向是比较大的。事实上纯钛在许多介质中稳定性还是非常好的，比如纯钛在中性、弱还原性、氧化性等介质中还是具有耐腐蚀性的，具有如此的稳定性主要是在于钛和氧的亲和力。在某些介质中如空气，为了使钛基体不被腐蚀掉，钛的表面就会生成附着力强、惰性大、致密的的氧化膜。钛是一种具有强烈钝化倾向的金属，即使受到了机械磨损也会重新再生或者很快恢复自愈，当介质温度在315℃以下时，钛的氧化膜至始至终都展现了这一种特性。钛合金具有比重小、强度高的特征，抗拉强度可达1000~1400MPa，密度却不怎么大。镁合金和铝合金的比强度为不超过20，而钛合金的比强度高达29[6]。
钛合金在低温下依旧保持着优良的塑性，而且也有很好的低温性能，钛表面在大气中立即形成的一层氧化膜均匀致密，而且还可以抵抗多种介质侵蚀。一般来说，钛即使在氧化性和中性介质中它的耐蚀性也非常好，如果在湿氯气、海水、氯化物溶液，钛合金的耐蚀性能力是非常好的。一般来说，除了草酸和浓度大于10%的甲酸，钛在硝酸中以及在浓度5%以下的盐酸、硫酸、磷酸还有有机酸中体现出很好的耐腐蚀性；还要说明的是对于502、HZS等酸性气体耐蚀性也非常的好，也有一些钛合金如Ti-MO合金在即使是在还原性的介质中也表现出一定的耐蚀性[7]。除了这些优点之外，钛的优异性能还有很多，比如热导率小、弹性模量低、吸氢特性、形状记忆特性等。
1.2 纯钛的轧制成型
1.2.1 轧制的分类
轧制的定义是指金属在轧机旋转轧辊的辗压下，从而发生塑性变形的一种压力加工方法。根据轧件运动方式不同可把轧制分为纵轧、横轧、斜轧[8]。
纵轧的过程就是金属通过两个旋转方向相反的轧辊，并在轧辊间发生塑性变形的过程，可以说纵轧是金属在塑性加工过程中最常用的轧制方式。轧辊的纵轴线是相互平行的，在轧制过程中，轧件的运动是沿着一定的纵轴线方向，并且与轧辊的纵轴线是垂直的，金属的延伸方向主要是沿着轧件的纵轴线方向进行的。纵轧大多运用在初轧、型材轧制、板带材轧制、和线材轧制。
横轧的过程是轧件通过两个旋转方向相同的轧辊间的，轧件作平行于轧辊轴线的运动，同时轧件作与轧辊转动方向做相反的旋转运动，回转体只是在径向受到压力加工的轧制方法。
斜轧轧件在旋转方向相同、纵轴线相互交叉的两个或三个轧辊之间沿自身轴线边旋转、边变形、边前进的轧制。可以这么说斜轧应该是介于纵轧和横轧之间的一种轧制方式。
板材轧制状态如图1.1所示。
图1.1 金属板材轧制加工状态
1.2.2 轧制的成型特点
一般用较大规格锻棒作为钛合金轧制坯料，在不同的冷却速度下，锻棒的微观组织通过观察发现为针状、细片状或粗片状形态的β转变组织[9]。通过实验检测，锻棒的粗片状形态的β转变组织的蠕变抗力很好，而且断裂韧性是比较优良的，而这种组织的疲劳强度低，拉伸塑性也较低。对钛合金棒材的加工是为了能够得到拉伸和疲劳性
本文以一种工业纯钛TA16为初始研究对象，运用X射线衍射、金相显微镜、透射电子显微镜、等先进表征技术，对TA16板材在轧制变形量10%和50%情况下的织构组织进行了研究。结果表明，不同的轧制变形量下TA16片层组织等轴化进行的程度不同，变形量越大就越有利于片状α相等轴化的进行，孪晶密度也随着轧制变形量的增加而变大。结果还表明，随着轧制变形量的增加，晶粒沿着轧制方向变形伸长趋势更加明显，位错密度增大，有滑移带产生，同时位错和滑移带的相互切割作用，使得合金的组织不断细化。
关键词 TA16工业纯钛，叠层轧制，轧制变形量，织构组织
1 引言 1
1.1 纯钛与钛合金的现状 1
1.2 纯钛的轧制成型 2
1.3 纯钛的冷轧加工特性 3
1.4 叠层轧制对钛及其合金的组织性能影响 5
1.5 本课题的研究意义 8
2 实验材料与研究方法 8
2.1 实验材料与设备 8
2.2 实验设备 9
2.3 2.3实验方法及过程 10
3 实验结果分析 10
3.1 TA16无变形的织构组织研究 11
3.2 TA16轧制变形后的金相组织研究 12
3.3 TA16轧制变形后TEM的观察 13
3.4 TA16轧制变形后XRD的观察 15
结论 16
致谢 17
参考文献 18
1 引言
1.1 纯钛与钛合金的现状
1.1.1 钛的研究背景
钛是一种常见的化学元素，原子序数22，化学符号Ti，是一种过渡金属，颜色为银白色。钛的物理特征是重量轻、强度高、金属有光泽。钛的化学特征有很多比如有良好的耐低温以及耐高温还有抗强碱、抗强酸的特点，还有具有低密度、高强度的特征，所以钛被称作“太空金属”[1]。钛有两个比较重要的特性，抗腐蚀性和相当高的强度重量比。钛如果在非合金的状态下，钛的强度跟某些钢相似，但还是要比那些刚轻45%。钛合金经常用于制作飞机发动机的部件，并且钛合金在火箭、导弹和高速飞机的结构件上也有很多运用[2-3]。
钛是一种重要的结构金属，在50年代迅速的发展起来，由于钛合金具有的比强度高、耐热性高、耐蚀性好等特点，钛合金在各个领域都有应用。钛合金的重要性得到了许多国家的重视，对其进行大量的研究并应用于实际。1954年美国研制成功的Ti-6AI-4V合金是第一个用于实际的钛合金，该钛合金的密度比纯钛要低的多。由于Ti-6AI-4V具有的良好的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性，使Ti-6AI-4V成为钛合金工业中的王牌合金，这种合金在实际运用中已占到75%~85%。至于剩下的合金可以说是Ti-6AI-4V合金的改型。20世纪的60年代，钛合金主要是用于发展航空发动机和飞机机体用的结构钛合金，到了70年代的时候，开发出许多耐蚀钛合金，如Ti-Ni、Ti-i-Fe等形状记忆合金，广泛的用于工程之中。等到80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到和好的改进，我们也发现耐热钛合金的使用温度发生变化，从50年代的400℃提高到90年代的600-650℃，增加很多。目前为止，钛合金的种类有数百种，比较常见的合金有20多种，钛合金是在工业中是非常重要的轻质合金材料，钛合金的应用前景非常广阔，比如在航空航天、汽车、生物医学等领域，是高速飞行器和大型飞机选用的良好结构[4]。
1.1.2 钛和钛合金的性质
钛的熔点为1668℃，相比铁而言熔点高138℃，钛是轻金属中的熔点高的金属。纯钛的电阻率、导热率和比容与奥氏体不锈钢的值基本一样，但是纯钛密度小，热容小的特性，加热或是冷却都比较容易。钛在常温下，表现出密排六方结构的低温相，当温度达到882.5℃时会转变为体心立方结构的β相。钛的密度4.504~4.512克/立方厘米，密度高于铝但是却低于铜、铁、镍。钛的比强度是金属中最高的。熔点1667±4℃，沸点3260±20℃，熔化潜热3.7~5.0千卡/克原子，钛合金汽化潜热为102.5~112.5千卡/克原子，临界压力为1130大气压，临界温度达到4350℃[5]。钛的导热性和导电性是比较差的，稍微低于不锈钢，钛具有很好的超导性，金属钛是顺磁性物质，导磁率达到1.00004，纯钛的超导临界温度为0.38~0.4K。
钛具有可塑性，纯钛的断面收缩率可以达到70~80%，延伸率可以达到50~60%，但断面收缩时产生的力度是很低的，不太适合作结构材料。钛中多少会存在杂质，这些杂志对钛的机械性能影响非常大，尤其是间隙杂质，如氧、氮、碳等可提高钛的强度，明显降低其塑性。钛是一种结构材料，钛具有的优良的机械性能可以通过控制钛中的杂质含量或者通过添加的合金元素而得到。
纯钛是一种较活泼的金属，纯钛的平衡电位低，而且纯钛在介质中的热力学腐蚀倾向是比较大的。事实上纯钛在许多介质中稳定性还是非常好的，比如纯钛在中性、弱还原性、氧化性等介质中还是具有耐腐蚀性的，具有如此的稳定性主要是在于钛和氧的亲和力。在某些介质中如空气，为了使钛基体不被腐蚀掉，钛的表面就会生成附着力强、惰性大、致密的的氧化膜。钛是一种具有强烈钝化倾向的金属，即使受到了机械磨损也会重新再生或者很快恢复自愈，当介质温度在315℃以下时，钛的氧化膜至始至终都展现了这一种特性。钛合金具有比重小、强度高的特征，抗拉强度可达1000~1400MPa，密度却不怎么大。镁合金和铝合金的比强度为不超过20，而钛合金的比强度高达29[6]。
钛合金在低温下依旧保持着优良的塑性，而且也有很好的低温性能，钛表面在大气中立即形成的一层氧化膜均匀致密，而且还可以抵抗多种介质侵蚀。一般来说，钛即使在氧化性和中性介质中它的耐蚀性也非常好，如果在湿氯气、海水、氯化物溶液，钛合金的耐蚀性能力是非常好的。一般来说，除了草酸和浓度大于10%的甲酸，钛在硝酸中以及在浓度5%以下的盐酸、硫酸、磷酸还有有机酸中体现出很好的耐腐蚀性；还要说明的是对于502、HZS等酸性气体耐蚀性也非常的好，也有一些钛合金如Ti-MO合金在即使是在还原性的介质中也表现出一定的耐蚀性[7]。除了这些优点之外，钛的优异性能还有很多，比如热导率小、弹性模量低、吸氢特性、形状记忆特性等。
1.2 纯钛的轧制成型
1.2.1 轧制的分类
轧制的定义是指金属在轧机旋转轧辊的辗压下，从而发生塑性变形的一种压力加工方法。根据轧件运动方式不同可把轧制分为纵轧、横轧、斜轧[8]。
纵轧的过程就是金属通过两个旋转方向相反的轧辊，并在轧辊间发生塑性变形的过程，可以说纵轧是金属在塑性加工过程中最常用的轧制方式。轧辊的纵轴线是相互平行的，在轧制过程中，轧件的运动是沿着一定的纵轴线方向，并且与轧辊的纵轴线是垂直的，金属的延伸方向主要是沿着轧件的纵轴线方向进行的。纵轧大多运用在初轧、型材轧制、板带材轧制、和线材轧制。
横轧的过程是轧件通过两个旋转方向相同的轧辊间的，轧件作平行于轧辊轴线的运动，同时轧件作与轧辊转动方向做相反的旋转运动，回转体只是在径向受到压力加工的轧制方法。
斜轧轧件在旋转方向相同、纵轴线相互交叉的两个或三个轧辊之间沿自身轴线边旋转、边变形、边前进的轧制。可以这么说斜轧应该是介于纵轧和横轧之间的一种轧制方式。
板材轧制状态如图1.1所示。
图1.1 金属板材轧制加工状态
1.2.2 轧制的成型特点
一般用较大规格锻棒作为钛合金轧制坯料，在不同的冷却速度下，锻棒的微观组织通过观察发现为针状、细片状或粗片状形态的β转变组织[9]。通过实验检测，锻棒的粗片状形态的β转变组织的蠕变抗力很好，而且断裂韧性是比较优良的，而这种组织的疲劳强度低，拉伸塑性也较低。对钛合金棒材的加工是为了能够得到拉伸和疲劳性
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