TA15钛合金厚板表层心部受力变形差异对组织织构的影响及力学性能各向异性形成机制与结构件选材数据支撑研究

引言

钛及钛合金因其独特的物理化学特性而成为现代工业中不可或缺的重要材料,其不仅具有无磁性、优异的生物相容性和出色的耐腐蚀性能,还表现出极佳的韧性[1-2]。即使在极端环境下,钛合金仍能保持良好的力学性能和化学稳定性,使其在航空航天、生物医疗、海洋工程和石油化工等多个高科技领域得到了广泛应用[3-4]。TA15钛合金是一种近α型钛合金,该合金除了具有优异的高温性能,还具备良好的耐腐蚀性,在航空航天、海洋工程、石油化工等工业领域应用广泛[5-6]。

目前关于TA15钛合金板材的研究主要集中在薄板和中厚板,例如:张苗等[7]研究了TA15钛合金中板组织与力学性能研究;孙梦桐等[8]研究了轧制工艺对TA15钛合金薄板微观组织及拉伸力学性能的影响;张俊祺等[9]研究了TA15钛合金薄板微观组织与拉伸性能。

关于TA15钛合金厚板(通常指厚度超过40 mm)的系统性研究鲜有报道。TA15钛合金厚板在航空航天、船舶制造等重型装备领域具有重要的应用潜力,其宏微观组织、力学性能与薄板存在显著差异。故深入开展TA15钛合金厚板的基础研究和工程化攻关,不仅能够填补该材料在厚度方向上的研究空白,完善钛合金全厚度的理论体系,更能为大型结构件的设计选材和可靠性评估提供关键数据支撑,对推动高端装备轻量化发展具有重要的学术价值与工程意义。

1、试验材料与方法

本试验采用厚度为70 mm的TA15钛合金板材作为研究对象。首先采用真空自耗电弧熔炼(VAR)配以高纯海绵钛和中间合金为原料,经3次熔炼获得成分均匀的铸锭,随后通过多火次锻造加工成厚度为250 mm的板坯,随后通过轧机将板坯轧制成厚度为70 mm的板材。采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)对合金成分进行测定,结果如表1所示。

表1 TA15钛合金板化学成分(质量分数) %

采用锯床以及线切割方法将TA15钛合金厚板进行加工取样,取样位置分别为TA15钛合金厚板表层及心部位置,组织和力学性能测试分别为板材的横向(T向)和纵向(L向),纵向为板材轧制方向。微观组织方面,采用蔡司Axio Observer 7型倒置式金相显微镜进行显微组织观察,试样经机械抛光后使用Kroll试剂腐蚀。晶体结构方面,采用型号为SUPRA 55场发射扫描电镜内置的Oxford镜头进行EBSD测试。力学性能方面,采用AG-X 100 kN电子万能试验机进行室温拉伸测试,为保障数据可靠性,每组参数测试3个有效试样,取平均值作为测试结果,应变速率设置为1×10⁻³ s⁻¹。

2、结果与讨论

2.1 微观组织

图1为TA15钛合金厚板表层与心部位置金相组织,发现板材同一位置横向(T向)与纵向(L向)组织形貌接近,但表层与心部二者组织形貌差异化较大。虽然表层组织和心部组织均主要由初生α相(位置A)以及次生α相(位置B)构成,但心部组织初生α相含量以及次生α相体积较表层组织有明显增加。

板材在轧制过程中会受到压应力,通过轧辊的压力使厚度减小,长度增加。板材表层因为直接与轧辊接触,受到较大的剪切应力和摩擦力,导致塑性变形更剧烈,且表层金属流动受限较少,容易发生较大的压缩和延伸变形[10]。在轧制过程中,板材心部处于三向压应力状态,变形阻力较大,且受外层金属的约束,实际变形量较小,通常以均匀压缩为主。在轧制过程中,表层因剧烈变形和高应变速率触发动态再结晶,会形成细小晶粒[11]。同时,表层与轧辊接触后快速散热,抑制晶粒长大。而心部变形量较小,动态再结晶不完全,且高温环境持续较久(冷却速度慢),会发生静态再结晶或晶粒长大,导致晶粒尺寸较大。

综上所述,板材心部变形量较小,且冷却速率较慢,使心部组织中初生α相以及次生α相在轧制过程以及后续的冷却过程发生长大,最终形成图1(c)与图1(d)的组织形貌。

2.2 晶体结构

TA15钛合金厚板表层与心部位置极图信息如图2所示,发现不同位置的极图类型相近,但同一位置横向(T向)与纵向(L向)的极图类型产生较大差异。板材表层横向位置为R型织构,板材心部横向则为近R型织构,且表层织构强度为9.57,较心部织构强度6.12更大。板材表层和心部纵向位置都为T型织构,且表层织构强度为7.48,较心部织构强度5.3更大。综上所述,板材表层织构强度较心部更高,板材横向织构强度较纵向更高,且板材横向以R型织构为主,而板材纵向以T型织构为主。

钛合金厚板表层位置织构强度较心部位置更大,主要是在加工过程中,表层位置受到的热输入和机械应力作用比心部更大,导致表层位置在晶粒形成和生长过程中受到的影响更大,从而形成了更强的织构强度[12]。此外,表层位置在冷却过程中也会受到更大的热应力,这也会导致表层织构强度的增大。

横向与纵向织构类型不同,是因为板材横向与纵向在轧制过程中受力不同。板材在加工过程中,横向的应力或载荷分布更显著,因此横向的织构强度更大[13]。

2.3 力学性能

TA15钛合金厚板表层与心部位置的室温拉伸性能如图3所示,发现板材表层位置强度较心部位置更高,但塑性较低。进一步观察发现,板材同一位置横向强度较纵向更高,但塑性差异化较小,即板材存在明显的各向异性。表层与心部横向抗拉强度最大差值可达35 MPa,表层与心部纵向抗拉强度最大差值可达40 MPa。综合对比发现,板材表层位置横向强度最高,但塑性最低,此时抗拉强度(Rm)为1 000 MPa,屈服强度(Rp0.2)为910 MPa,断后伸长率(A)为16%。

由图1可知,相比于心部位置,板材表层位置组织中初生α相含量更少,但次生α相含量更多。表层组织中次生α相在塑性变形过程中能够有效阻碍位错运动,从而显著提升合金的强度。当合金受到外力作用时,位错在滑移过程中需要穿过弥散分布的次生α相。次生α相尺寸细小且分布密集,位错难以直接切过,导致局部应力集中[14]。同时,位错在绕过析出相时会在其周围形成位错环,进一步增加滑移阻力。随着拉伸试样变形量增大,位错在次生α相附近发生塞积,并在晶界处产生应力集中,从而显著提高合金强度。板材心部位置初生α相含量更多,在拉伸载荷作用下,初生α相因其各向同性的特点能够同时激活多个滑移系,使得塑性变形得以在晶粒间均匀分布。变形首先在体积分数较高的初生α相中启动,随后通过协调变形机制迅速传递至相邻晶粒[15]。这种多滑移系的协同作用有效避免了变形局域化现象,显著降低了局部应力集中风险。初生α相含量更高的组织不仅抑制了单个晶粒内过度滑移导致的损伤累积,还阻碍了微裂纹在晶界处的形核与扩展,从而大幅提升了材料的断后伸长率。

由图2可知,板材横向以及纵向织构类型不同,且横向织构强度更大。不同织构类型意味着晶粒的特定晶面和晶向相对于外力方向呈现不同形变。当外力方向与易滑移方向一致时,临界分切应力较低,滑移系更易启动,导致强度降低;反之则需更高外应力才能引发塑性变形,表现为强度升高,故不同织构类型导致板材产生各向异性[16]。此外,在织构强度更高的组织中,多数晶粒取向相近,仅有限滑移系可激活,变形协调性差,易产生应力集中,进而提高强度,即导致板材横向强度更高。

3、结论

板材同一位置横向与纵向的显微组织形貌相近,但表层与心部组织形貌差异化较大。表层组织和心部组织均主要由初生α相以及次生α相构成,但心部组织初生α相含量以及次生α相体积较表层组织有明显增加。

不同位置的极图类型相近,横向与纵向的极图类型产生较大差异,板材表层织构强度较心部更高,板材横向织构强度较纵向更高,且板材横向以R型织构为主,而板材纵向以T型织构为主。

板材表层位置强度较心部位置更高,但塑性较低,同一位置横向强度较纵向更高,但塑性差异化较小,板材存在明显的各向异性。

参考文献

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（注，原文标题：TA15钛合金厚板组织与力学性能研究_王军）