1、鈦的組織與結(jié)構(gòu)特征

鈦具有兩種同素異構(gòu)晶體，即低溫時(shí)的密排六方結(jié)構(gòu)(α-Ti)和高溫下的體心立方結(jié)構(gòu)(β-Ti)。高純鈦和工業(yè)純鈦在緩慢冷卻退火后，均可獲得規(guī)則的或者鋸齒狀的多面體 α 晶粒組織。但快速冷卻時(shí)，所得的組織有所不同。高純鈦快冷時(shí)，發(fā)生馬氏體相變，其形態(tài)變化不大，只是晶界不完整，呈鋸齒狀；工業(yè)純鈦快冷時(shí)，得到針狀的α'組織，緩冷時(shí)得到條狀的 α 組織。另外，鈦受污染時(shí)，在緩慢冷卻過程中，發(fā)生 β 轉(zhuǎn)變 α 時(shí)，α-Ti 形成片狀，沿各片的邊界分布著細(xì)小的第二相，它是合金化沉淀和基體不一樣的 α 相。第二相的數(shù)量隨雜質(zhì)含量的增加而增加且在工業(yè)純鈦中約占 1%。經(jīng)變形并在 α 相區(qū)退火后，鈦的組織為多角形的晶粒。

工業(yè)純鈦的鑄錠經(jīng)變形加工后，在 β 相變點(diǎn)一下退火，再結(jié)晶后得到等軸晶粒組織。

2、 鈦合金的分類及顯微組織

根據(jù)不同的方法可以將鈦合金分為不同類型。鈦鍛件生產(chǎn)廠家按照亞穩(wěn)定狀態(tài)相組成可分為α 型、近 α 型、α+β 型、近 β 型、亞穩(wěn)定 β 型和 β 型鈦合金；按照退火后的組織特點(diǎn)可分為 α 型、α+β 型以及 β 型鈦合金三類。

在生產(chǎn)實(shí)踐中，鈦合金材料的使用價(jià)值、使用范圍以及壽命取決于合金材料的力學(xué)性能，不同的組織相對應(yīng)著不同的力學(xué)性能，TC4 合金材料的化學(xué)成分、鍛造工藝、熱處理控制參數(shù)決定組織形態(tài)。按照非淬火組織特征不同可分魏氏體組織、網(wǎng)籃組織、雙態(tài)組織和等軸組織，各種組織如圖1所示。不同熱加工工藝和熱處理控制工藝使兩相的比例、形態(tài)以及相界面存在非常大的差異，從而導(dǎo)致力學(xué)性能差別較大。

魏氏體組織：在 β 相區(qū)進(jìn)行退火處理或在 β 相區(qū)進(jìn)行變形加工處理(一般變形程度程度小于 50%)。在 β 相區(qū)壓力加工時(shí)，溫度高，β 晶粒容易長大。因此魏氏體組織具有粗大等軸的原始 β 晶粒。清晰的 α 網(wǎng)分布在原始 β 晶界上，α 相以長條狀有規(guī)則的從原 β 晶界向晶粒內(nèi)生長，條形 α 內(nèi)以 β 存在，最后的長條 α+β是通過 β 晶粒轉(zhuǎn)變而成的顯微組織。魏氏體組織的突出缺點(diǎn)就是塑性較低，和其他類型組織相比，斷面收縮率尤為突出。其原因是原始 β 晶粒粗大，且晶界以網(wǎng)狀存在。高的斷裂韌性是魏氏體組織的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)?α 束域取向不同，斷裂過程中，斷裂只有沿 α、β 相界面發(fā)展，此時(shí)裂紋擴(kuò)展需剪斷樅橫的 α 束而消耗吞噬能量，裂紋擴(kuò)展受阻。

網(wǎng)籃組織：尺寸短小且各叢交錯(cuò)排列，有如編織網(wǎng)籃的形狀的組織稱網(wǎng)籃組織。兩相鈦合金在(α+β)/β 相變點(diǎn)附近進(jìn)行變形加工（一般變形量 50%～80%），或在 β 相區(qū)變形處理，而變形終止在(α+β)相區(qū)。網(wǎng)籃組織的塑性及疲勞性能高于魏氏體組織，在高溫長期受力部件通常采用網(wǎng)籃組織代替魏氏體組織。

雙態(tài)組織：由等軸狀的初生 α 和 β 轉(zhuǎn)變組織的片狀 α 組成的兩種形態(tài)的組織稱為雙態(tài)組織。(α+β)相鈦合金在兩相區(qū)進(jìn)行加工變形，再加熱到兩相區(qū)進(jìn)行冷卻處理得雙態(tài)組織。雙態(tài)組織的等軸初生 α 一般在 50%以下，其余的為次生片狀 α（β 轉(zhuǎn)變組織）。這種組織的性能隨所含初生 α 數(shù)量不同，塑性和疲勞強(qiáng)度隨著變化。

等軸組織：雙相鈦合金在兩相區(qū)進(jìn)行熱變形處理時(shí)，加工溫度高，變形過程中 α 相 β 相相繼發(fā)生再結(jié)晶，從而獲得完全等軸的 α+β。次生片狀 α 分布在含量超過 50%以上的初生 α 基體上。初生 α 的數(shù)量隨變形溫度的降低而升高，位錯(cuò)密度則是隨變形溫度的升高而減少。變形溫度低或者變形量大時(shí)，再結(jié)晶進(jìn)行得不夠充分，因此初生 α 和次生 α(β 轉(zhuǎn)變組織)沿變形方向存在。對這種變形后的組織在兩相區(qū)再結(jié)晶退火，能得到等軸狀的初生α 。

等軸初生 α 組織的性能特點(diǎn)主要就是提升材料的塑性，對強(qiáng)度有一定程度的影響，且塑性這個(gè)力學(xué)指標(biāo)隨等軸初生 α 的含量增加而顯著上升趨勢。疲勞性能指標(biāo)也與等軸初生 α 數(shù)量直接有關(guān)。同時(shí)，材料的力學(xué)性能與等軸初生 α 的晶粒尺寸密切相關(guān)，晶粒均勻細(xì)小的鈦合金組織，塑性和疲勞上升。晶粒尺寸小，單位體積內(nèi)晶粒數(shù)量多，晶界的比例相應(yīng)增加。由于晶界強(qiáng)度低于晶內(nèi)，使晶界滑動(dòng)易于進(jìn)行，參與滑移的晶粒增加且晶粒之間變形協(xié)調(diào)性得到改善，不利裂紋萌生和擴(kuò)展，從而表現(xiàn)很高的塑性變形。

初生片狀 α 數(shù)量在等軸組織中所占體積百分比最多，而初生片狀 α 數(shù)量在雙態(tài)組織中百分比最多。但當(dāng)初生片狀 α 數(shù)量低于 50%時(shí)，究竟屬雙態(tài)組織還是屬于等軸組織，已無原則區(qū)別。因此，有的書中也將雙態(tài)組織稱為等軸組織 。

根據(jù)上述組織的性能特點(diǎn)，對兩相合金典型四種組織的性能特點(diǎn)進(jìn)行對比如表2。

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