鈦是一種可在太空、陸地、海洋以及生物體內(nèi)廣泛應(yīng)用的“全能金屬”，是當(dāng)代最具魅力的金屬材料。鈦材的工業(yè)應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)大到許多領(lǐng)域，不僅在航空、航天工業(yè)中有著十分重要的應(yīng)用，還開始在化工、石油、輕工、冶金、發(fā)電等許多工業(yè)部門中廣泛應(yīng)用。工業(yè)純鈦含有微量的氧、氮、碳、鐵及多種其他雜質(zhì)元素，實(shí)質(zhì)上是一種低合金化的鈦合金。純鈦具有耐蝕性好、無磁性、質(zhì)量輕、良好的生物相容性及易于加工成形等特點(diǎn)，但純鈦較低的強(qiáng)度又限制了它的廣泛應(yīng)用。Gr4鈦合金具有較高的雜質(zhì)含量，在GB/T3620.1-2007《鈦及鈦合金牌號(hào)和化學(xué)成分》中，O含量的上限為0.40%，而Fe含量的上限為0.50% .其常規(guī)工藝生產(chǎn)的棒材強(qiáng)度介于高純鈦和TC4鈦合金之間，滿足了該強(qiáng)度范圍材料的需求。
但由于該合金雜質(zhì)含量較高，對(duì)材料本身的塑性特別是橫向塑性指標(biāo)有較大的影響，而研究如何通過熱處理實(shí)現(xiàn)該材料強(qiáng)度與塑性的匹配對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)作用。
1、試驗(yàn)
試驗(yàn)材料為寶雞鈦業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的Gr4鈦合金鑄錠，鑄錠直徑為Φ700mm，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／wt%）為0.43～0.44的Fe、0.36～0.38的0、其余為Ti。鑄錠經(jīng)過開壞鍛造和中間鍛造后制成精鍛壞料，再在SXP-13精鍛機(jī)上鍛造到成品尺寸$70mm，其加熱溫度在800～850℃之間選擇，下面在同一根棒材上切取20mm厚的樣棒進(jìn)行熱處理試驗(yàn)。
按照表1的熱處理方案，將7片20mm的樣片使用同一熱處理爐進(jìn)行樣片熱處理，在熱處理后的樣片上按照?qǐng)D1分別取60mm×15mm×15mm的橫向拉伸試樣和 15mm×15mm×1 5mm 的顯微組織試樣。
顯微組織
將顯微組織試樣經(jīng)過機(jī)加工拋光后，采用10%HNO+5%HF+85%H,O的腐蝕液進(jìn)行腐蝕，在ZEISSAxiovert 200MAT上進(jìn)行組織觀察，并照取100倍偏光顯微組織照片，同時(shí)對(duì)顯微組織進(jìn)行平均晶粒度的測(cè)量。
拉伸性能
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求將所取橫向拉伸試樣壞機(jī)加工為R11拉伸試樣，按照ASTME8/E8M-16A的規(guī)定在MT5105型萬能材料電子試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試試樣的拉伸力學(xué)性能。
斷口形貌
將拉斷后的拉伸試樣采用JSM-6480型掃描電鏡(SEM）觀察，分析試樣的斷口形貌。
2、結(jié)果與討論
顯微組織分析
圖2為精鍛后棒材R態(tài)及經(jīng)過不同溫度熱處理后的顯微組織照片。從圖2(a）來看，常規(guī)加熱后精鍛機(jī)所鍛制出的棒材．顯微組織形貌為全α相的等軸組織，但是存在一小部分沒有發(fā)生再結(jié)晶的變形組織。這是由于精鍛的變形方式是高密度錘次（每分鐘約620次）、微小變形量（每錘次直徑變形<15mm長(zhǎng)度方向變形<10mm）疊加而成．在變形過程中棒
材整體發(fā)生的變形處于一種低應(yīng)變狀態(tài)，這種變形方式易于發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。
另一方面，鍛造時(shí)的溫度遠(yuǎn)高于再結(jié)晶溫度，且高密度錘次產(chǎn)生的變形熱使得棒材終鍛溫度下降不明顯，棒材在鍛造完成時(shí)處于可發(fā)生再結(jié)晶的溫度范圍，沒有完全再結(jié)晶是由于棒材鍛造后處于自然冷卻過程中，沒有足夠的保溫時(shí)間，再結(jié)晶過程完成的不徹底。
從圖2(b）到圖2(e）可以看出，合金的熱處理溫度越高．其顯微組織上再結(jié)晶程度越高，從圖2(f）和圖2(g）可以看出，當(dāng)熱處理溫度高于750℃，晶粒出現(xiàn)明顯長(zhǎng)大。
將顯微組織的平均晶粒尺寸隨熱處理溫度的變化制作成曲線.如圖3所示。
熱處理溫度在600～750℃之間，晶粒尺寸隨熱處理溫度的升高有較緩的遞增關(guān)系，但增長(zhǎng)的幅度非常小，溫度增加了150℃，晶粒度的長(zhǎng)大還不到10μm。該溫度區(qū)間晶粒度評(píng)級(jí)可以評(píng)到ASTME112中8～9級(jí)（級(jí)數(shù)越高表示晶粒度越細(xì)）。而熱處理溫度到750℃以后晶粒度增長(zhǎng)的幅度非常大，溫度增加了50℃，其平均晶粒尺寸增加了一倍多．其晶粒度評(píng)級(jí)也只能評(píng)到ASTM E112中4～5級(jí)。在實(shí)際生產(chǎn)中熱處理溫度選擇時(shí)應(yīng)該避開該溫度區(qū)間。
拉伸性能
Gr4鈦合金的室溫拉伸力學(xué)性能隨熱處理溫度的變化情況如圖4所示，可以看出抗拉強(qiáng)度（Rm）、屈服強(qiáng)度(Rp0.2)、伸長(zhǎng)率（A4o）、斷面收縮率(Z）均出現(xiàn)了兩次明顯的拐點(diǎn)。第一個(gè)拐點(diǎn)是從R態(tài)到600℃×1.5h熱處理時(shí)出現(xiàn)的．這是由于對(duì)鍛態(tài)的棒材進(jìn)行熱處理，在熱鍛過程產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力得到釋放，從而出現(xiàn)了組織軟化的過程。在此過程中，材料的強(qiáng)
度降低，塑性增加：從600～750℃熱處理后材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度有近似的線性遞增關(guān)系，伸長(zhǎng)率與斷面收縮率都有近似的線性遞減關(guān)系，沒有呈現(xiàn)出隨熱處理溫度的升高而出現(xiàn)進(jìn)一步軟化：750℃以后隨著晶粒尺寸的增大，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度出現(xiàn)了一定的下降，如圖4中出現(xiàn)的第二次拐點(diǎn)，但在強(qiáng)度下降過程中，塑性指標(biāo)沒有明顯的提升，這說明此時(shí)材料的性能已經(jīng)開始惡化。
斷口形貌
針對(duì)600~750℃熱處理后材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度增加的現(xiàn)象，將拉斷后的拉伸試樣采用JSM-6480型掃描電鏡（SEM）觀察、分析試樣的斷口形貌。如圖5所示。
從掃描電鏡來看，宏觀斷口并未呈現(xiàn)出常規(guī)韌性斷口的三個(gè)區(qū)域（纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇）。試樣的徑縮量非常小，是一種偏脆性的斷裂。觀察微觀掃描電鏡組織，照片上分布著大小不等被拉長(zhǎng)的凹坑，但這些凹坑非常淺，凹坑底部非常平整，這說明斷裂起始階段發(fā)生了微小的塑性變形，出現(xiàn)了韌窩的特征，但之后發(fā)生了脆性斷裂，這是一種韌一脆混合斷口形貌。分析原因，這是由于Gr4鈦合金O含量較高，當(dāng)發(fā)生低溫、高載荷速度加載時(shí)．α相變得很堅(jiān)硬.而α/α晶界又不像α/β晶界得到合金元素大幅度的增強(qiáng)，觀察斷裂韌窩的大小，集中在50～100μm，這與該合金熱處理后的顯微組織中的晶粒大小相當(dāng)。力學(xué)試樣在拉伸過程中，各個(gè)晶粒先發(fā)生微小的塑性變形，隨著正拉應(yīng)力的增大，在結(jié)合強(qiáng)度較低的晶界處優(yōu)先產(chǎn)生裂紋源，當(dāng)應(yīng)力增大到一定程度，晶粒被整體剝離并形成斷口。至于斷口中韌窩的方向性，這是由于棒材在生產(chǎn)過程中縱向變形量大，顯微組織被拉長(zhǎng)所致。
明確了Gr4鈦合金的斷裂特征.再分析600~750℃熱處理后材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度增加的現(xiàn)象。經(jīng)過600~750℃熱處理后，合金的晶粒度沒有明顯長(zhǎng)大，但再結(jié)晶程度增加，組織中變形組織比例下降。
變形組織的晶粒被扭曲拉長(zhǎng)，晶粒得到強(qiáng)化，但晶界卻增多了，和晶粒相比晶界處強(qiáng)度較低，是脆性斷裂容易發(fā)生的地方。所以熱處理溫度較低時(shí)。變形組織的比例高，組織中晶界的比例高，容易發(fā)生脆性斷裂，宏觀上表現(xiàn)為強(qiáng)度較低。
3、結(jié)論
(1)Gr4鈦合金熱鍛態(tài)的顯微組織為變形組織和再結(jié)晶組織相結(jié)合的組織狀態(tài)，隨著熱處理溫度的升高，材料的再結(jié)晶程度越高，750℃以后再結(jié)晶晶粒開始明顯長(zhǎng)大。
(2)該金屬的強(qiáng)度隨著再結(jié)晶程度的升高而升高，塑性指標(biāo)出現(xiàn)相應(yīng)的降低。而晶粒明顯長(zhǎng)大以后。強(qiáng)度降低，塑性沒有升高。開始出現(xiàn)性能惡化。文章建立抗拉強(qiáng)度（Rm）、屈服強(qiáng)度（Rp0.2）、伸長(zhǎng)率（A4d）、斷面收縮率（Z）隨熱處理溫度變化的曲線，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)熱處理工藝的制定有一定的指導(dǎo)作用。
(3)該合金拉伸試樣的斷口形貌為介于韌窩和解理之間的強(qiáng)韌性斷口形貌，韌窩的大小和顯微組織晶粒的大小相當(dāng)，且隨變形流線有一定的方向性。
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