CT20合金的不同显微组织与拉伸性能研究

杨冠军 于振涛 蔡学章 杜宇 刘伟

西北有色金属研究院钛合金研究所,西北有色金属研究院钛合金研究所,西北有色金属研究院钛合金研究所,西北有色金属研究院钛合金研究所,西北有色金属研究院钛合金研究所,西北有色金属研究院钛合金研究所 陕西西安710016,西安建筑科技大学冶金工程学院,陕西西安710055 ,陕西西安710016 ,陕西西安710016 ,陕西西安710016 ,陕西西安710016 ,陕西西安710016

摘 要：

研究了一种新型近α型钛合金CT2 0不同显微组织与拉伸性能的关系。结果表明 , 选择合适的退火制度 , 合金中得到了 3种典型的组织类型 , 即等轴组织、双态组织和片状组织 ;室温下该合金不同组织时拉伸性能相差不大 , 而在 2 0K时合金拉伸性能对组织较为敏感。在 2 0K温度下 , 合金强度上升而延伸率明显下降 ;等轴组织时延伸率最低 , 双态组织次之 , 片状组织最高 ;片状组织能保证合金在低温时具有良好的强度与塑性的综合性能。

关键词：

钛合金;拉伸性能;显微组织;低温;

中图分类号： TG113

作者简介：杨冠军 (Email:yanggj@cnin.com) ;

收稿日期：2003-10-27

基金：国家高技术研究发展计划课题 (2 0 0 2AA72 40 67);

Various Microstructures and Tensile Properties of CT20 Alloy

Abstract：

The relationship between microstructures and tensile properties of a new type of near α titanium alloy CT20 was studied. The results show that three kind of typical microstructures, that is, equiaxed, bimodal and lamellar microstructures, are obtained in this alloy when the selected heat treatment is conducted. There is no notable property difference when alloy specimens with various microstructures are tested at room temperature, while the tensile properties are sensitive to microstructures at 20 K. The strength of the alloy increases while elongation obviously drops down at 20 K. Alloy with equiaxed microstructure has the lowest elongation, bimodal the better and lamellar the highest. The alloy with lamellar microstructure has good synthetical properties of strength and elongation at cryogenic temperature.

Keyword：

titanium alloy; tensile property; microstructure; cryogenic temperature;

Received： 2003-10-27

钛合金具有密度小、 比强度高、 低温热导率低以及膨胀系数小等特点, 是理想的低温结构材料 ^[1,2] 。 CT20合金是我国西北有色金属研究院研制的一种新型近α钛合金, 该合金具有强度适中, 低温塑性高, 焊接性能优良等特点, 很适合在超低温下使用。 开展对该合金不同类型组织与性能关系的研究, 对促进该合金在低温下的应用具有重要的实际意义。 本文研究了该合金不同显微组织与室温及20 K拉伸性能的关系。

1 实 验

CT20合金为Ti-Al-Zr-Mo系近α钛合金, 其杂质元素含量为: Fe-0.03, C-0.02, N-0.012, O-0.08, H-0.001。 合金的α+β→β转变温度为920±5 ℃。

实验选用CT20合金Φ35 mm×1.5 mm冷轧管材进行退火实验。 为得到不同类型的组织, 采用了如表1所示的4种退火制度。 退火后沿管材轴向切取标距宽15 mm, 长25 mm的室温拉伸试样和标距宽3 mm, 长15 mm的20 K拉伸试样。 在ZWICK 150拉伸机上测试室温拉伸性能; 在WD-10A型低温拉伸机上进行20 K拉伸试验, 该试验机工作介质为液氦, 工作温度精度为±0.5 K; 用OLYMPUS PMG3金相显微镜观察合金的显微组织; 用JEOL5800扫描电镜观察试样的断口形貌。

表1 CT20合金的退火制度Table 1 Heat treatment of CT20 alloy

编号	退火温度/保温时间	冷却方式	保护气体
1#	890 ℃/1 h	AC*	Ar**
2#	910 ℃/1 h	AC	Ar
3#	920 ℃/1 h	AC	Ar
4#	930 ℃/1 h	AC	Ar

* AC——空冷; ** ——氩气

2 结果与讨论

2.1 不同退火温度与显微组织的关系

由于α钛合金的相变特点决定了其热处理强化效应比较弱, 所以通常α钛合金不采用固溶和时效处理, 而主要采用完全退火处理。 CT20合金在不同的退火制度下得到的显微组织如图1所示。

由图1可见, 合金不同温度退火后得到的显微组织差别明显。 在处于α相区的温度890 ℃下退火得到细小的等轴状组织, 平均晶粒大小约为8 μm, 如图1 (a) 所示。 910和920 ℃下退火得到由等轴初生α和片状α集束 (β转变组织) 组成的双态组织, 其中910 ℃时组织中等轴初生α平均约8 μm, 体积分数约为40%, α集束大小约为28 μm; 920 ℃时组织中等轴初生α平均约7 μm, 体积分数约为10%, α集束大小约为37 μm。 等轴初生α相沿片

图1 CT20合金管材热处理后的显微组织 热处理: (a) 890 ℃/1 h; (b) 890 ℃/1 h; (c) 890 ℃/1 h; (d) 890 ℃/1 hFig.1 Microstructures of CT20 alloy tube after heat treatment

状β转变组织的晶界及晶内都有析出。 随退火温度升高, 合金组织中等轴初生α相的含量减少, 而片状α集束的体积分数增加, 如图1 (b, c) 。 在高于合金α+β→β转变点的930 ℃退火则得到粗大的片状组织, 平均晶粒度大小为250 μm, 如图1 (d) 。

2.2 合金不同组织时的室温拉伸性能

合金管材不同组织的室温拉伸性能如表2所示, 表中各数据为3个试样的平均值。

等轴组织的抗拉强度较双态组织略高, 片状组织时强度有一定的下降, 这可能和组织的过分粗大有关, 但下降的趋势并不十分明显。 各种组织的延伸率保持在同一水平。 可见, 不同温度下退火的合金, 尽管组织存在显著差异, 但室温性能的差别并不明显, 说明室温下CT20合金性能对组织变化不是十分敏感。

2.3 合金不同组织时的低温拉伸性能

选择了退火后4种不同组织的管材制取拉伸试样并进行20 K拉伸性能测试, 测试结果取2个试样的平均值, 如表3所示。

与室温相比较, 合金在20 K时的拉伸性能受组织类型影响较明显。 在20 K时合金强度明显上升, 几乎为室温时的2倍; 而塑性下降较显著, 其中等轴组织下降到不足室温时的一半。 20 K时等轴组织塑性低, 双态次之, 而片状组织的塑性最高 ^[3,4] 。

表2 CT20合金不同组织时的室温拉伸性能Table 2Tensile properties of CT20 alloy at room temperature

编号	组织类型	σb/MPa	σ0.2/MPa	δ5/%
1#	等轴组织	656.7	530.0	30.7
2#	双态组织	655.0	510.0	29.3
3#	双态组织	638.3	500.0	27.6
4#	片状组织	610.0	495.0	29.3

表3 合金不同组织时的20 K拉伸性能

编号	组织类型	最大载荷/N	σb/MPa	δ5/%
1#	等轴组织	5577.2	1286.1	12.7
2#	双态组织	5505.6	1313.8	14.0
3#	双态组织	5526.0	1224.3	14.4
4#	片状组织	5735.8	1305.1	16.7

2.4 拉伸断口形貌

合金室温拉伸时试样宏观断口起伏较大, 表明材料具有较高的塑性。 室温拉伸断口微观形貌如图2所示。 由图2可知, 合金断口均为延性韧窝断裂。 合金为等轴组织时韧窝大小、 分布较均匀, 如图2 (a) 。 由图中 (b~d) 可见, 由双态过渡到片状组织时, 随片状α相的增多变大, 韧窝变深, 尺寸变大, 留下较大的撕裂脊, 粗大片状组织时尤为显著。

20 K拉伸时, 试样工作带内出现多个与拉伸轴近似成45°角的切变带。 试样宏观断口较为平整, 断口特征如图3所示。

图3表明, 试样20 K拉伸断口上均出现了少量的孔洞和解理台阶, 这些台阶可能沿着hcp的基面, 如图3 (b~d) 所示, 合金表现出一定的低温脆断特征。 等轴组织试样的20 K拉伸断口韧窝小而浅, 如图3 (a) , 而片状组织时韧窝较深, 如图3 (d) 。 双态组织断口形貌则介于等轴组织和片状组织之间, 如图3 (b, c) 。

2.5 拉伸应变行为和变形机制分析

图4是CT20合金不同组织试样的20 K拉伸载荷-位移曲线。 与室温拉伸时的连续应力-应变曲线的显著差别在于, 合金20 K时拉伸曲线均出现了锯齿状波动。

图2 CT20合金不同组织时的室温拉伸断口形貌 (a) 等轴组织; (b) , (c) 双态组织; (d) 片状组织Fig.2 Tensile fractographs of CT20 alloy with various microstructures at room temperature

图3 CT20合金不同组织时的20 K拉伸断口形貌 (a) 等轴组织; (b) , (c) 双态组织; (d) 片状组织Fig.3 Tensile fractographs of CT20 alloy with various microstructures at 20 K

图4 CT20合金不同组织时20K拉伸的载荷-位移曲线 (a) 等轴组织; (b) , (c) 双态组织; (d) 片状组织Fig.4 Tensile load-displacement curves of CT20 alloy with various microstructures at 20 K

室温拉伸时, 试样工作带内所有晶粒普遍发生滑移应变, 应变-硬化连续进行, 最终在工作带某处产生颈缩而发生断裂; 而在20 K拉伸时, 试样工作带表面出现多个切变带, 变形呈不连续状, 最终在某个切变带处断裂。 对钛合金的已有研究表明 ^[5] , 随试验温度的降低, 位错滑移所需的临界切应力显著升高, 而孪生变形所需切应力则变化不大或有所降低。 在室温拉伸时, 变形以位错滑移为主, 变形组织中观察到大量的位错网络; 而在20 K拉伸时, 滑移应变的临界切应力很高, 滑移变形困难, 孪生变形则会沿最大切应力即与拉伸轴呈45°的某些区域首先发生, 并产生形变热。 由于合金在20 K时的比热容低, 导致试样切变区域局部温度升高, 于是滑移开动。 孪生和滑移交替进行形成一个与拉伸方向呈45°的切变带。 由于加工硬化和热反馈现象的消失, 这种切变带不能加宽, 从而在试样其他区域出现多个这种导致塑性不稳定的切变带。 这种颈缩或切变带在拉伸曲线上产生了与之对应的齿状波动 ^[6,7] 。

同时, 由图4可见, 等轴组织试样拉伸时试样只经过少量幅度较大的波动就发生了断裂, 而由等轴到双态直到片状组织, 试样的拉伸曲线上这种齿状波动的数量增多且波动幅度减小, 相应试样延伸率升高。 可见片状组织削弱了低温下合金变形的不连续性, 有利于发挥合金在低温下的塑韧性。

3 结 论

1. 不同温度退火时合金组织变化显著, 在高于合金α+β→β转变点退火时得到粗大的片状组织。

2. CT20合金室温拉伸性能随组织变化不大, 在20 K时的拉伸性能受组织类型影响则较明显; 片状组织的合金在20 K时具有较好的强度和塑性的综合性能。

参考文献

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