退火溫度對超細(xì)晶工業(yè)純鈦組織和力學(xué)性能的影響

谷艷霞, 江靜華, 馬愛斌, 吳浩然

(1. 江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 江蘇 南京 211100; 2. 河海大學(xué) 力學(xué)與材料學(xué)院, 江蘇 南京 211100)

近年來,通過大塑性變形技術(shù)制備超細(xì)晶材料(Ultrafine-grain, UFG)得到了科研工作者的高度重視[1-2],超細(xì)晶工業(yè)純鈦(Commercial pure titanium, CP-Ti)已經(jīng)實現(xiàn)了在航空航天、生物醫(yī)藥領(lǐng)域的商業(yè)應(yīng)用。科學(xué)家采用不同的大塑性變形技術(shù)制備了超細(xì)晶工業(yè)純鈦,并對其微觀組織和力學(xué)性能進(jìn)行了研究[3]。研究表明,通過大塑性變形加工以后,工業(yè)純鈦產(chǎn)生的超細(xì)晶組織不僅可以提高其力學(xué)性能,也可以使其生物相容性和耐蝕性能得到提高[4-5]。等通道轉(zhuǎn)角擠壓(Equal channel angular pressing, ECAP)是一種使用非常廣泛的大塑性變形方法,該方法是使坯料通過兩個互成一定角度的等截面通道,通道夾角在60°～150°之間,坯料通過通道交角時,產(chǎn)生大的塑性變形,實現(xiàn)晶粒細(xì)化[6]。

經(jīng)過大塑性變形后,在晶粒尺寸減小的同時,材料內(nèi)部儲能增加,使超細(xì)晶組織不穩(wěn)定,并且超細(xì)晶材料的高強度以犧牲塑性為代價,這使超細(xì)晶材料在實際使用時受到限制。研究表明,對超細(xì)晶材料進(jìn)行合適的短時退火,可以優(yōu)化其強度和塑性,提高其組織穩(wěn)定性[7]。但是,退火溫度過高,會使晶粒明顯長大,使力學(xué)性能下降。因此,選擇合適的退火溫度至關(guān)重要。大多數(shù)科學(xué)家在超細(xì)晶材料的加工方法、微觀組織演變、力學(xué)性能方面開展了較多研究,而對于超細(xì)晶材料在后續(xù)退火過程中的組織、性能、穩(wěn)定性等方面缺乏關(guān)注。Akbari等[8]研究表明,超細(xì)晶純銅在190 ℃退火10 min后,抗拉強度提高了45 MPa。Zhao等[9]研究了超細(xì)晶工業(yè)純鋁在不同溫度下退火30 min的組織演變和力學(xué)性能特征。而退火工藝對超細(xì)晶工業(yè)純鈦組織和性能的影響規(guī)律,目前還缺乏系統(tǒng)研究。本文研究了退火溫度對超細(xì)晶工業(yè)純鈦組織和性能的影響,超細(xì)晶工業(yè)純鈦通過等通道轉(zhuǎn)角加壓進(jìn)行制備,隨后在300、400、500 ℃進(jìn)行15 min的退火,并采用透射電鏡對退火后的微觀組織進(jìn)行觀察,對其室溫力學(xué)性能進(jìn)行測試。

1 試驗材料與方法

選用TA2工業(yè)純鈦,其化學(xué)成分如表1所示。原始晶粒尺寸大約為10 μm,采用旋轉(zhuǎn)模具對試樣進(jìn)行4道次ECAP加工。旋轉(zhuǎn)模具及加工方法如圖1所示。ECAP試樣尺寸為20 mm×20 mm×45 mm,將試樣放入通道,經(jīng)過1道次擠壓后,無需將試樣從通道取出,將模具順時針旋轉(zhuǎn)90°,即可進(jìn)行下一道次的加工。加工完4道次后,將試樣從模具取出。把試樣6個面去除2 mm,留下中間部位進(jìn)行組織、力學(xué)性能及后續(xù)退火研究,性能測試及微觀組織分析所有試樣從縱切面選取。將ECAP加工后的試樣在300、400、500 ℃退火15 min,隨后空冷,并對退火后的微觀組織和力學(xué)性能進(jìn)行研究。各狀態(tài)試樣的具體工藝及其對應(yīng)編號如表2所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)模具ECAP加工示意圖Fig.1 Schematic illustration of rotary-die ECAP processing

表1 TA2工業(yè)純鈦的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

表2 具體工藝及其對應(yīng)編號

微觀組織觀察在FEI Tecnai G T20型透射電鏡上開展。從試樣中間線切割1 mm的薄片,然后進(jìn)行機械研磨,減薄至0.1 mm,之后沖出直徑為φ3 mm的圓片,隨后進(jìn)行電解雙噴,電解液為高氯酸和酒精混合液。

按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 室溫拉伸試驗 第1部分:試驗方法》,室溫拉伸試驗在TF-50S拉伸試驗機上進(jìn)行。拉伸試驗在室溫下進(jìn)行,試樣測試部分尺寸為6 mm×2 mm×2 mm(長×寬×高),拉伸速率為1 mm/min,為了測量平均值,每種狀態(tài)選取至少3個平行試樣。

X射線衍射(XRD)測試前將試樣用砂紙打磨,使用Bruker D8 Discover X射線衍射儀獲得XRD圖譜,采用CuKα射線,測量2θ角度為30°～80°。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 退火溫度對超細(xì)晶工業(yè)純鈦組織的影響

圖2為經(jīng)過ECAP加工4道次的超細(xì)晶工業(yè)純鈦經(jīng)不同溫度退火后的TEM微觀組織。從圖2(a)看出,經(jīng)ECAP加工4道次后,晶內(nèi)和晶界由于加工變形產(chǎn)生了大量位錯,經(jīng)統(tǒng)計得出晶粒尺寸約為450 nm。從圖2(b)可以看出,經(jīng)300 ℃退火15 min后,晶內(nèi)的位錯密度減少,晶粒尺寸沒有明顯增大,說明這種退火條件下晶粒還沒來得及發(fā)生長大。從圖2(c)可見,經(jīng)400 ℃退火15 min后,晶內(nèi)位錯密度進(jìn)一步降低,說明退火促進(jìn)了晶內(nèi)的位錯向晶界運動,以及位錯的對消、重排、湮滅,晶界更加明顯清晰,少量晶粒尺寸略微增大。從圖2(d)可見,經(jīng)500 ℃退火15 min后,部分晶粒內(nèi)部已基本沒有位錯,并且大部分晶粒發(fā)生了明顯長大。

圖2 超細(xì)晶工業(yè)純鈦經(jīng)不同溫度退火后的TEM圖Fig.2 TEM images of the UFG-Ti annealed at different temperatures(a)未退火(unannealed); (b) 300 ℃; (c) 400 ℃; (d) 500 ℃

2.2 退火溫度對超細(xì)晶工業(yè)純鈦力學(xué)性能的影響

圖3為原始態(tài)(0P)、超細(xì)晶態(tài)(4P)及不同溫度退火態(tài)工業(yè)純鈦的室溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。表3列出了超細(xì)晶工業(yè)純鈦及其在不同溫度下退火后的室溫拉伸試驗數(shù)據(jù),從圖3和表3可以看出,ECAP加工后的超細(xì)晶工業(yè)純鈦與原始態(tài)相比,強度得到了很大的提升,抗拉強度從450 MPa提高到了627 MPa,伸長率從48%下降到29%。超細(xì)晶工業(yè)純鈦經(jīng)300 ℃退火15 min(A1)后,抗拉強度和屈服強度都得到提高,分別為663 MPa和561 MPa,伸長率保持為29%。經(jīng)400 ℃退火15 min(A2)后,與超細(xì)晶態(tài)相比,強度得到提升,同時伸長率也提高到34%。超細(xì)晶工業(yè)純鈦經(jīng)500 ℃退火15 min(A3)后,抗拉強度和屈服強度都有所下降?？梢?超細(xì)晶工業(yè)純鈦在300～400 ℃退火15 min,強度得到提升,且具有良好塑性,可以獲得較優(yōu)的強度塑性匹配,隨著退火溫度提高,超細(xì)晶粒有所長大,導(dǎo)致強度逐漸下降。

圖3 0P、4P工業(yè)純鈦及其在不同溫度下退火后的室溫工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Engineering stress-strain curves of the 0P, 4P CP-Ti and that annealed at different temperatures

表3 超細(xì)晶工業(yè)純鈦及其在不同溫度下退火后的室溫拉伸試驗數(shù)據(jù)

超細(xì)晶工業(yè)純鈦經(jīng)300～400 ℃退火15 min后,強度得到提高,即產(chǎn)生了退火強化現(xiàn)象。Akbari等[8]研究表明,超細(xì)晶純銅經(jīng)190 ℃退火10 min后,抗拉強度提高了45 MPa。Zhao等[9]將超細(xì)晶Al在60 ℃退火30 min,超細(xì)晶純鋁強度得到提高。Volkov等[10]指出,超細(xì)晶純鎂經(jīng)150 ℃低溫退火后強度得到提高。本文中工業(yè)純鈦產(chǎn)生的退火強化現(xiàn)象有可能是由于以下原因造成的:①低溫短時退火后,晶粒尺寸未明顯增大;②退火后基面織構(gòu)增強,導(dǎo)致織構(gòu)強化。圖4為超細(xì)晶工業(yè)純鈦和其經(jīng)300 ℃退火15 min后的X射線衍射圖譜,由圖4的X射線衍射圖譜可知,經(jīng)300 ℃退火15 min后,超細(xì)晶工業(yè)純鈦各晶面衍射峰的強度發(fā)生了不同程度的變化。為了評價晶粒的擇優(yōu)取向,采用織構(gòu)系數(shù)(Texture coefficient,TC)對工業(yè)純鈦的織構(gòu)演變進(jìn)行分析。織構(gòu)系數(shù)可通過下式進(jìn)行計算[11-12]:

圖4 不同工藝處理后工業(yè)純鈦試樣的X射線衍射圖譜Fig.4 X-ray diffraction patterns of the CP-Ti specimens treated by different processes

圖5 不同工藝處理后工業(yè)純鈦試樣的織構(gòu)系數(shù)(TC)Fig.5 Texture coefficients of the CP-Ti specimens treated by different processes

表4 不同狀態(tài)工業(yè)純鈦的織構(gòu)系數(shù)(TC)數(shù)值

由此可見,超細(xì)晶工業(yè)純鈦在300～400 ℃溫度下退火,可以在晶粒沒有發(fā)生明顯長大的情況下使超細(xì)晶工業(yè)純鈦強度進(jìn)一步提高、且具有良好塑韌性。隨著退火溫度的升高,晶粒逐漸發(fā)生長大,導(dǎo)致其強度下降,斷后伸長率提高。

3 結(jié)論

研究了退火溫度對ECAP加工超細(xì)晶工業(yè)純鈦組織和性能的影響,對經(jīng)退火后工業(yè)純鈦試樣的微觀組織、擇優(yōu)取向等組織結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析,對其室溫拉伸性能等進(jìn)行了系統(tǒng)研究,并探討了超細(xì)晶工業(yè)純鈦低溫短時退火強化的機制。研究得出如下結(jié)論:

1) ECAP加工4道次的超細(xì)晶工業(yè)純鈦在300 ℃退火15 min后,晶粒尺寸沒有明顯的變化;當(dāng)退火溫度升高到400 ℃退火15 min后,晶內(nèi)位錯密度減少,晶界更加明顯清晰,少量晶粒尺寸略微增大。經(jīng)500 ℃退火15 min后,大部分晶粒發(fā)生了明顯長大。

2) 經(jīng)不同溫度退火后超細(xì)晶工業(yè)純鈦的力學(xué)性能研究結(jié)果表明,經(jīng)300～400 ℃溫度下進(jìn)行15 min低溫短時退火后,超細(xì)晶工業(yè)純鈦強度得到提高,且具有良好塑性。隨著退火溫度提高,晶粒尺寸增大,超細(xì)晶工業(yè)純鈦的強度逐漸下降。

3) 經(jīng)低溫短時退火后,超細(xì)晶工業(yè)純鈦產(chǎn)生了退火強化現(xiàn)象,可能是由于以下原因?qū)е碌?一方面退火后晶粒沒有明顯增大,另一方面退火后基面織構(gòu)增強,產(chǎn)生了織構(gòu)強化。