■ 張智鑫，李瑞鋒，陳海濤，王儉，王勤波

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1.引言

Ti-70鈦合金名義成分為Ti-2.5Al-2Zr-1Fe，對應(yīng)國內(nèi)牌號為TA23，α/β轉(zhuǎn)變溫度為940~960℃，是一種近α型中強、耐蝕、可焊型鈦合金。該合金添加低價位Fe元素，且具有良好的耐海水腐蝕性、較高的比強度和良好的焊接性，是一種理想的船體結(jié)構(gòu)材料。Ti-70是一種國內(nèi)自主研制的新型船用鈦合金，國內(nèi)對Ti-70板材研究較少，生產(chǎn)工藝也不成熟。本文背景為一批Ti-70板材在沿軋制方向折彎成形時出現(xiàn)橫向彎裂現(xiàn)象。Ti-70板材的塑性變形過程，確定其成形彎裂的原因，本文對板材斷口和基體的化學(xué)成分、低高倍組織和力學(xué)性能進行了觀測對比，并進一步分析了板材的斷口形貌。

2.試驗方法

試驗用Ti-70鈦合金鑄錠是經(jīng)真空自耗電弧爐三次熔煉得到，具體化學(xué)成分如表1所示。鑄錠在β相區(qū)開坯，經(jīng)多火次鍛造后，末火次在α+β兩相區(qū)鍛成板坯。板坯經(jīng)表面處理后在β轉(zhuǎn)變溫度以下開坯，在α+β兩相區(qū)多火熱軋到8.0mm，然后中間退火和酸洗，熱軋在兩輥可逆式熱軋機上進行。之后，經(jīng)兩輥可逆式冷軋機軋制5.0mm，經(jīng)580℃×45min成品熱處理。

試驗對成形開裂板材的斷口和基體化學(xué)成分、組織及力學(xué)性能分別進行觀測，在JSM6480電子顯微鏡下對斷口進行分析。材料化學(xué)成分測試在JSM-6480型掃描電鏡能譜儀和化學(xué)法定量分析儀上進行，低倍組織用LYMPUS表面觀測儀觀測，顯微組織在Axiover 200MAT光學(xué)顯微鏡上觀測，室溫拉伸性能在Instron 5885拉伸試驗機上進行測試，洛氏硬度在OU 2200TC進行測試，沖擊韌性在JNS-300擺錘式?jīng)_擊試驗機上檢測。

3.結(jié)果討論

（1）斷口與基體成分如表2所示?？梢钥闯鰯嗫谔幊煞峙c板材基體成分接近，無明顯增加、降低現(xiàn)象，板材成分均勻。所以可以排除板材壓彎開裂是受到成分不均勻和偏析的影響。

（2）低高倍組織分別如圖1和圖2所示。

圖1 Ti-70板材低倍組織（1×）

從圖1低倍組織可以看出，Ti-70板材基體和斷口處均無分層、裂紋、氣孔、偏析、金屬和非金屬冶金缺陷；基體低倍組織均勻，無明顯軋制流線，如圖1a所示。斷口處低倍組織呈現(xiàn)出纖維狀拉長組織且不均勻，如圖1b所示。

圖2為Ti-70成品板材的顯微組織，從圖2a和圖2b均可以明顯看出，基體和斷口處織均勻性都較差，組織多為拉長狀和纖維狀，等軸組織較少，說明成品板材保留了部分冷軋纖維狀組織，成品熱處理未使板材內(nèi)部組織完全再結(jié)晶等軸化，這嚴(yán)重影響材料的塑性和均勻性。

可以得出，組織不均勻、未完全再結(jié)晶是板材壓彎成形開裂的原因之一。經(jīng)研究：Ti-70冷軋板材612℃保溫30min開始再結(jié)晶，硬度HRC降低量達50%；684℃保溫30min完成再結(jié)晶，硬度HRC降低量達80%。而此批板材成品熱處理制度為580℃×30min，未達到Ti-70板材的再結(jié)晶溫度，因此，組織整體呈纖維狀、再結(jié)晶不完全。組織不均勻易導(dǎo)致板材塑性變形不均勻，影響成形性。

（3）斷口形貌具體如圖3、圖4所示。

從圖3中可以看出彎裂成形的Ti-70板材表面宏觀微裂紋較多，垂直于軋制方向從板材中間向兩邊擴展。說明在彎曲過程拉應(yīng)力的作用下，板材塑性較差，導(dǎo)致多處開裂。

圖4為彎裂Ti-70板材的斷口形貌，從圖4a可以看出，整體成韌性斷口，由韌性變形的纖維區(qū)、失穩(wěn)擴展的撕裂區(qū)（放射區(qū)）和剪切唇組成，三個區(qū)域所占比例為3:8:1，圖4c中的撕裂棱也說明了板材韌性斷裂的特點。從圖4b可以看出，斷口處有不均勻的韌窩和微坑，尺寸偏小，多數(shù)微坑較淺，且圖4a中纖維區(qū)較窄只占整個斷口的25%，說明板材塑性不良且變形不均勻。從圖4c可以看出，斷口微觀呈沿晶斷裂，裂紋沿晶界擴展，說明Ti70板材晶界較弱，易優(yōu)先沿晶開裂，塑性較差；微坑聚集的斷口處平齊、有光澤，局部解理面明顯，有脆性解理斷裂的特征。

表1 試驗Ti-70合金錠的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 Ti70斷口成分和基體成分對比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖2 Ti-70板材顯微組織

圖3 Ti-70板材成形開裂處表面低倍觀測（5×）

綜上，說明Ti-70板材整體成韌性斷裂，局部有解理脆性斷裂的特征，說明板材塑性不良。

圖4 Ti-70彎裂斷口微觀形貌

表3 Ti-70板材室溫性能匯總

（4）斷口力學(xué)性能檢測匯總?cè)绫?所示。其中彎曲開裂，與板材在成形過程開裂的結(jié)果吻合，說明5T/180°彎曲作用已經(jīng)達到該批材料成形開裂的臨界點。

4. 結(jié)語

（1）此批Ti-70板材顯微組織整體呈纖維狀，再結(jié)晶不完全及組織不均勻是導(dǎo)致板材塑性變形不均勻和塑性下降的主要原因。

（2）此批Ti-70板材的斷口形貌整體成韌性斷裂，局部有解理脆性斷裂的特征，5T/180°彎曲作用是該批材料成形開裂的臨界點。