热处理制度对TA2纯钛板组织性能的影响

TA2纯钛具有良好的耐蚀性能，比强度高，同时具有较强的断裂韧性[1]。在大型工业，船舶生产等领域都有广泛应用，由于金属在加工工艺一定的情况下，其组织形态主要取决于加热的最高温度和不同冷却速度下的组织演变[2]。因此研究TA2纯钛高温下组织演变具有重大意义。

1、实验

1.1实验材料

实验用TA2原料为退火态(M)，轧制厚度为50mm的钛板，其β转变温度是920℃左右，其显微组织为全等轴α相，如图1；在其横截面随机5个点维氏硬度如表1所示。

1.2实验方法

将原料切成15×15mm的小方块，共15块，分5组，编号1#~5#，每组3个试样。将炉温分别升到指定温度点，共5个温度点，900℃、930℃、960℃、990℃、1020℃，将每组试样放入其中保温40分钟，然后将一组3个试样分别采用水冷(WQ)、空冷（AC）、随炉冷却(FC)的方式冷却至室温,热处理制度如表2所示。

将热处理之后的试样进行维氏硬度(HV5)检测，显微组织检测和原始β晶粒尺寸检测，每个试样随机打5个硬度值，再求出其平均值，显微组织用金相显微镜进行检测拍照，原始β晶粒由光学映像测量仪拍照后，金相分析软件进行尺寸测量。

2、实验结果

2.1硬度

不同温度和热处理制度下，维氏硬度值如表3、图2所示。

2.2显微组织

900℃（β转变温度以下）温度下，随炉冷却形成全等轴组织，空冷形成等轴组织和部分组片状α组织，水冷组织由等轴初生α相和细片状α相组成。

930℃~1020℃（β转变温度以上）温度下，随炉冷却组织为全片层粗大α相组成，随温度升高组织无明显变化；空冷组织也是全片层粗大α相组成，随温度升高组织无明显变化，但相同温度下空冷组织片层间距小于随炉冷却；水冷组织由片状、透镜状、等轴状α相组成。

各制度下显微组织如图3所示，图3（a）~3（c）分别为900℃随炉冷却、空冷、水冷显微组织；3（d）~3（f）分别为930℃随炉冷却、空冷、水冷显微组织；图片序号以此类推。

2.3原始β晶粒

930℃~1020℃空冷条件下均能清晰看见由晶界α相勾勒的原始β晶粒，由此测得各温度下原始β晶粒尺寸，如图4所示；金相照片如图5所示，图5（a）~5（d）依次为930℃~1020℃。

3、结论与分析

（1）在同等加热温度下，随炉冷却、空冷、水冷，TA2纯钛板维氏硬度依次增大，从显微组织可以看出，同等温度下，相变温度以下随炉冷却形成等轴晶，相变点以上形成粗大的片层组织，这都会使材料硬度降低，空冷形成的片层组织由于片层间距小于随炉冷却，可提高硬度，所以硬度就会大于随炉冷却[3]；水冷形成透镜状和极细小的片层组织，所以大大提高位错运动，从而提高硬度，其硬度值明显高于随炉冷却和空冷。

（2）相变温度以上，随着温度提高，同样冷却方式下硬度值相近，从显微组织可以看出，片层α间距几乎相同，整体组织差异也不大[4]。这是因为晶内片层组织的形成只与冷却速度有关，而跟加热温度关系不大。

（3）930℃以上，随着加热温度的提高，原始β晶粒也会随之增大，并有温度越高，晶粒变大的趋势越明显，呈现加速生长的态势。因为加热温度越高，晶界原子能量越高，境界迁移的动能越大。晶粒长大的趋势就越明显。

参考文献：

[1]刘一波.TA2工业纯钛高温组织演变研究[D]上海交通大学学位论文，2010：21-42.

[2]陈猛，庞洪，刘娜.热处理制度对一种低合金钛带组织及性能的影响[J].科技创新与应用，2018，25（3）：125-126.

[3]周玉.材料分析方法[M].机械工业出版社，2011.6.

[4]史文，张雷，李剑，等.钛及钛合金高低倍组织检验方法[S].中国有色，2020.

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