稀有金属2012年第3期

工业纯钛TA2冷轧板再结晶过程的研究

段晓鸽 江海涛 刘继雄 毕艳君

北京科技大学高效轧制国家工程研究中心

摘 要：

利用Gleeble-3500热模拟试验机对工业纯钛TA2冷轧板进行退火实验,结合硬度法与金相法测定了TA2的再结晶温度,根据Arrhenius公式计算了TA2的再结晶激活能,并对冷轧退火板进行力学性能测试。结果表明保温时间为9 min时,TA2的再结晶温度在520～600℃之间,恒温700℃时,再结晶时间为1.84 min;再结晶激活能Q为5.6578×104 kJ.mol-1;当再结晶退火温度在680～700℃,保温时间在30min左右,钛板可以保持良好的力学性能。

关键词：

TA2;冷轧板;再结晶温度;再结晶激活能;

中图分类号： TG339

作者简介：段晓鸽(1982-),女,陕西西安人,硕士;研究方向:金属材料加工及组织性能研究;江海涛(E-mail:nwpujht@yahoo.com.cn);

收稿日期：2011-10-31

基金：国家自然科学基金资助项目(50804005);

Recrystallization Process of Commercial Pure Titanium Cold Rolled Sheet

Abstract：

The commercial pure Ti cold rolled plate was annealed in the Gleeble-3500 thermo-simulation machine,the recrystallization temperature of TA2 was determined by hardness method and metallographic examination,the recrystallization activation energy of the TA2 was calculated according to the formula arrhenius,and the mechanical properties of the annealed TA2 sheets were tested.The results showed that the recrystallization temperature of TA2 was in the range of 520⁶00 ℃ with a holding time of 9 min,the recrystallization time was 1.84 min with a holding temperature of 700 ℃;Q was equal to 5.6578×104 kJ · mol-1.The TA2 sheets could maintain good mechanical properties by holding 30 min at recrystallization annealing temperature of 680⁷00 ℃.

Keyword：

TA2; cold rolled sheet; recrystallization temperature; recrystallization activation energy;

Received： 2011-10-31

钛及钛合金因其优良的性能在航空航天和其他领域有着广泛的应用前景, 但也受其加工效率和生产成本的制约。 随着钛合金的开发研制、 钛材品种的增多及价格的降低, 钛在民用工业中的应用将成倍增加, 特别是在造船、 汽车制造、 化工、 电子、 海洋开发、 生物医学、 海水淡化、 地热发电、 排污防腐等民用领域 ^[1,2,3,4,5] 将获得广泛的应用。 与此同时, 市场的需求也将加速钛工业与钛材加工技术的发展。

工业纯钛大部分在退火状态下 ^[6,7] 使用, 再结晶退火后可使纯钛内部组织和性能均匀, 完全软化, 并具有合适的塑性和韧性。 在目前工业纯钛的冷轧带材大量应用的背景下, 通过测定冷轧纯钛板的再结晶温度, 为制定合理的退火工艺提供理论依据。 本文采用Gleeble- 3500热模拟试验机对冷轧TA2钛板进行真空退火, 测定了TA2在恒时和恒温处得到的硬度曲线, 根据不同再结晶温度对应的再结晶时间, 计算了再结晶激活能 ^[8,9] 。 研究了工业纯钛的再结晶规律, 为制定退火工艺提供依据。

1 实 验

实验用料为工业纯钛 TA2, 冷轧压下率为75%, 厚0.8 mm的冷轧钛板, 其化学成分如表1所示。 图1为TA2冷轧板的金相显微组织照片。

表1 试验用TA2冷轧板的化学成分(%, 质量分数)

Table 1Components of the TA2 cold rolled sheet used in the experiment (%, mass fraction)

Elements	Fe	C	N	H	O	Ti
Content	0.020	0.010	0.008	≤0.001	0.130	Bal.

图1 TA2冷轧板的金相显微组织

Fig.1 Metallographs of TA2 cold rolled sheet

再结晶过程并不是一个恒温过程, 而是一个随着温度升高从某一温度开始又在某一温度结束的过程。 为测定TA2再结晶温度与完成再结晶的时间, 在Gleeble- 3500上真空条件下, 首先进行一次定时9 min变温试验, 退火温度分别为520, 540, 560, 580, 600, 620, 640, 660, 680, 700, 720 ℃, 将原始试样和完全软化试样的硬度差定义为100%, 则当硬度降低50%时就定义为再结晶的条件(即再结晶温度或再结晶时间) ^[10,11] 在确定了定时试验的再结晶温度后, 再进行一次恒温变时试验, 恒温700 ℃, 保温时间为3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24 min, 从而确定该温度条件下的再结晶时间。 在等温退火过程中, 退火温度T和等温退火时间符合Arrhenius ^[12,13] 公式

1τ=Ae-QτRΤ???(1)

式中A为系数(1/s), R为气体常数(J·mol^-1·K^-1), Q_τ为再结晶激活能(kJ·mol^-1), T为绝对温度(K)。

两组实验测得的等温退火时间τ₁和τ₂及再结晶温度T₁和T₂, 按下式计算再结晶激活能Q_τ和系数A:

Qτ=Rlnτ2τ11Τ2-1Τ1???(2)

A=1τ1eQτRΤ1???(3)

冷轧板以及再结晶退火板上切取尺寸为12 mm×10 mm的金相试样, 观察平行于轧向的侧面金相组织。 力学性能检测设备为MTS810型精密试验机, 主要试验参数设定为: 实验用拉伸力98 kN, 夹头位移速度2 mm·min^-1; 轴向引伸仪标距为 50 mm, 引伸仪测量误差为0.3%; 测试温度为25 ℃。

2 结果与讨论

2.1 硬度法测TA2再结晶温度

图2为恒时9 min保温时间下不同保温温度下的硬度曲线与恒温700 ℃保温温度下不同保温时间下的硬度变化曲线。 从硬度变化曲线可以看出, 随着保温时间和保温温度的增加, 硬度都呈下降趋势, 并且到达一定值会稳定下来。 按照硬度法的测量原理, 从曲线上确定软化50%所对应的温度即再结晶温度, 在保温定时为9 min时的再结晶温度约为520 ℃左右。 而在保温恒温在700 ℃时, 再结晶的时间为1.84 min。

图2 TA2冷轧板硬度与退火温度(a)和退火时间(b)的关系

Fig.2 Relation between hardness and temperature (a) and annealing time (b) of TA2 cold rolled sheet

将T₁=520 ℃, τ₁=9 min; T₂=700 ℃, τ₂=1.84 min; R=8.314472 J·(mol·K)^-1, 带入公式(2)中, 计算得: Q_τ=5.6578×10⁴ kJ·mol^-1, A=9.87 s^-1。

带入 1τ=Ae-QτRΤ , 计算得 1τ=9.87e-565788.314472Τ

2.2 不同再结晶退火工艺下的显微组织分析

结合金相法进一步确定TA2再结晶温度的范围。 保温定时9 min, 不同保温温度下的显微组织如图3所示, 由图3可见, 温度为520 ℃时的显微组织已经开始出现再结晶晶粒, 但是大部分为未再结晶组织; 540 ℃时大部分为再结晶组织, 表明了再结晶已经发生并且进行到了一定程度。 随着温度的逐渐升高, 600 ℃时再结晶已基本完成。 随着温度的进一步提高, 再结晶晶粒开始均匀长大, 直至740 ℃时晶粒尺寸明显增加。 再结晶退火温度为700 ℃下不同保温时间的显微组织如图4所示, 保温3 min时为明显的再结晶组织, 可以看出晶粒发生回复再结晶的速度是比较快的, 由于保温温度较高, 元素的扩散快, 因此发生再结晶的时间比较短。 随着时间的延长, 再结晶晶粒发生了比较明显的长大。 对比两组不同实验条件下的显微组织发现, 当温度较高时, 时间的变化对晶粒长大速度的影响比较明显, 如在700 ℃保温时, 保温时间 3 min已经完全是等轴晶了。

冷变形加工后的TA2经过加热到一定温度、 保温一定时间时, 在原来冷变形组织中产生了无畸变的新晶粒, 并且性能发生了明显的变化, 恢复到了软化态, 即TA2发生了再结晶现象。 再结晶的微观组织特征表征因素是晶粒大小的均匀性, 一般希望再结晶后获得晶粒细小而均匀的结构, 因为这种钛材塑性性能好, 完全软化, 晶格类型没有变化, 但力学性能发生了变化。

2.3 TA2冷轧后退火试样的力学性能

试样冷轧后经过不同温度、 不同时间退火后的力学性能如表2所示, 再结晶退火温度在680～700 ℃时可获得最高的综合力学性能。 本实验中再结晶退火温度设定为700 ℃, 时间为30 min左右时比较合理, 并且不同处理条件下的冷轧薄板都满足YS/T658- 2007力学性能的要求。

再结晶过程是在变形的TA2组织上发生再结晶晶粒的形核和长大过程。 为了达到理想的结晶晶粒和性能要求, 过程中应增加形核数量和抑制晶粒长大, 使再结晶晶粒向细小而均匀的方向发展。 影响再结晶晶粒大小的因素有: 杂质、 钛的成分 ^[14,15,16] 、 变形程度、 加热温度和保温时间等。

表2 冷轧退火板的力学性能

Table 2 Mechanical properties of the annealed sheet

Annealing temperature/℃	Holding time/ min	σs/ MPa	σb/ MPa	δ/ %
700	10	290	415	22.80
680	10	300	435	25.60
680	30	285	410	24.60
680	60	280	405	29.28
720	10	275	415	28.80

一般情况下, 钛及钛合金中所含合金成分和杂质含量越高, 越容易获得再结晶细小晶粒。 TA2中的杂质元素会阻碍晶粒的晶界迁移, 这有利于获得细小的晶粒。 变形程度越大, 表明组织内部积蓄的畸变能越大, 结构内的|ΔG_T|值越大, 越有利于组织释放能量; 同时晶粒形核时需要吸收能量。 当变形程度大的组织释放出能供给形核所需的能量时, 利于形核, 并会增加形核数量, 也利于再结晶粒度变小。

3 结 论

1. 在本试验条件下, 根据恒时变温试验和恒温变时试验, 测得的再结晶条件可按Arrhenius公式计算了TA2的再结晶激活能Q=5.6578×10⁴ kJ·mol^-1。

2. 结合硬度法和金相法测得再结晶温度在520～600 ℃之间, 再结晶时间在9 min内; 再结晶退火温度在680～700 ℃, 保温时间在30 min左右, 可以保持钛板良好的力学性能。

参考文献

[1] Zhang X Y,Zhao Y Q,Bai C G.Ti Alloys and Application[M].Beijing:Chemical Industry Press,2005.6.(张喜燕,赵永庆,白晨光.钛合金及应用[M].北京:化学工业出版社,2005.6.)

[2] Fu Y Y,Song Y Q,Hui S X,Mi X J.Research and applica-tion of typical aerospace titanium alloys[J].Chinese Journal ofRare Metals,2006,30(6):850.(付艳艳,宋月清,惠松骁,米绪军.航空用钛合金的研究与应用进展[J].稀有金属,2006,30(6):850.)

[3] Langer R,Tirrell D A.Designing materials for biology and med-icine[J].Nature,2004,428(6982):487.

[4] Zhang P S,Mao X N,Zhao Y Q.Industry status and develop-ment trend of world titanium and titanium alloys[J].Rare MetalsLetters,2007,26(10):1.(张鹏省,毛小南,赵永庆.世界钛及钛合金产业现状及发展趋势[J].稀有金属快报,2007,26(10):1.)

[5] Shao J.Application and development of titanium alloys[J].Rare Metals and Cemented Carbides,2007,35(4):61.(邵娟.钛合金及其应用研究进展[J].稀有金属与硬质合金,2007,35(4):61.)

[6] Zhang J Y,Yang Y Q,Chen Y,Wen L,Zhou Y G.Effect ofannealing on the structure and properties of TA15 titanium alloy[J].Heat Treatment of Metals,2003,28(3):46.(张晶宇,杨延清,陈彦,温力,周义刚.退火对TA15钛合金组织与性能的影响[J].金属热处理,2003,28(3):46.)

[7] Nan L,Li M Q,Qu H L,Wei B L,Wu W H,Shui Y J,ZhangS Q,Deng J.Research on induction annealing process of titani-um tubes[J].Rare Metals Letters,2008,27(2):28.(南莉,李明强,曲恒磊,尉北玲,吴文琥,税永军,张树启,邓炬.TA2管材大气感应退火工艺研究[J].稀有金属快报,2008,27(2):28.)

[8] Xu Q L,Lin D W,Wang M,Gan Q S.Measurement of recrys-tallization temperature of cold rolled high strength IF steel[J].Heat Treatment of Metals,2007,32(10):14.(徐清亮,林大为,王淼,甘青松.冷轧高强IF钢再结晶温度的测定[J].金属热处理,2007,32(10):14.)

[9] Contieri R J,Zanotello M.Recrystallization and grain growth inhighly cold worked CP-titanium[J].Materials Science and Engi-neering A,2010,527:3994.

[10] Wang Z C,Wang X J,Wei K.Effect of annealing processingon properties of IF high strength steel[J].Journal of Shandonguniversity of Technology,1999,29(3):246.(王作成,王先进,韦柯.退火条件对高强度IF钢性能的影响[J].山东工业大学学报,1999,29(3):246.)

[11] Ma Y W,Wang X J,Li H Q,Zhao H Y.Effect of annealingon the properties of Nb+Ti-IF bearing steel[J].Transactions ofMetal Heat Treatment,1998,19(1):16.(马衍伟,王先进,李惠琴,赵海燕.退火工艺对超深冲Nb+Ti-IF钢性能的影响[J].金属热处理学报,1998,19(1):16.)

[12] Guy A G,Hren J J.Elements of Physical Metallurgy[M].Beijing:Mechanical Industry,1981.152.(盖伊A G,郝仑J J.物理冶金原理[M].北京:机械工业出版社,1981.152.)

[13] Bao Y Q.Metallography Theory[M].Beijing:MetallurgicalIndustry Press,1986.201.(包永千.金属学基础[M].北京:冶金工业出版社,1986.201.)

[14] Lin C,Liu Z L,Yin G L.Theoretical research on influences ofnon-metal elements on the phase transition temperature of com-mercial pure titanium[J].Rare Metal Materials and Engineer-ing,2008,37(4):571.(林成,刘志林,尹桂丽.非金属元素对工业纯钛相变温度影响的理论研究[J].稀有金属材料与工程,2008,37(4):571.)

[15] Guo L F,Yuan M N,Liang M J.Rolling techniques of titaniumand titanium alloy wire[J].Chinese Journal of Rare Metals,2011,35(2):196.(郭拉凤,原梅妮,梁敏洁.钛及钛合金线材轧制工艺研究[J].稀有金属,2011,35(2):196.)

[16] Huang D B.Hand Book of Nonferrous Materials[M].Beijing:Chemical Industry Press,2005.304.(黄德彬.有色金属材料手册[M].北京:化学工业出版社,2005.304.)