稀有金属 2000,(02),123-127 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2000.02.010

高弹钛合金板材的织构与弹性各向异性

王宁 庄卫东 沈剑韵 商顺利 胡广勇

北京有色金属研究总院!北京100088,北京有色金属研究总院!北京100088,北京有色金属研究总院!北京100088,北京有色金属研究总院!北京100088,北京有色金属研究总院!北京100088,北京有色金属研究总院!北京100088

摘 要：

采用X射线衍射分析技术 , 探讨了六方晶系合金板材弹性模量的计算方法。经不同退火工艺 (850～1 0 50℃ ) 的合金板材 , 其织构由 { 1 1 2 0 } (1 0 1 0 ) 转向 { 1 0 1 0 } (0 0 0 1 ) +{ 1 0 1 3} (0 0 0 1 ) 双重织构 , 对应的轧向弹性模量由 1 0 7 7GPa变为 1 33 2GPa, 该结果与实测值相吻合。

关键词：

高弹钛合金;织构;弹性各向异性;

中图分类号： TG146.23

收稿日期：1999-09-24;

Texture and Elastic Anisotropy of a High Elastic Titanium Alloy

Abstract：

The method of calculating the anisotropy of elasticity by the fourth order tensor was studied. The results showed that the titanium alloy sheets through a various annealing treatment (850℃ to 1050℃) are characterized by the single component texture ｛1120｝ (1010) →｛1010｝ (0001) +｛1013｝ (0001) double texture which corresponds elastic modulus in rolling direction of sheet from 107.7 GPa to 133.2 GPa.

Keyword：

High elastic titanium alloy; Texture; Inverse pole figure; Pole figure; ODF elastic modulus;

Received： 1999-09-24;

高弹钛合金由于其优良特性而成为空间飞行器的理想结构材料。国外钛合金研究工作者大多从组织结构类型、合金化及形变热处理方法探讨其工艺, 很少报道其织构与弹性各向异性研究 ^[1,2,3] 。由于该合金只含约10%的β相, 可以认为属于α+β (或近α) 合金;α钛具有六方晶系结构, 其物理性能呈强的各向异性, 如弹性模量绕c轴呈对称分布, c轴方向杨氏模量为143.3 GPa, 底面各取向的杨氏模量为104.4 GPa, 因此只要建立弹性模量E的取向分布与 (0002) 基板织构的取向分布之间的关系, 通过板材的织构测定, 就可以计算合金板材的各向异性弹性模量, 并可通过合金化与工艺的调整, 有目的地控制织构与弹性各向异性以满足实际使用的要求。

本工作探讨了在不同退火工艺条件下, 板材的织构与弹性各向异性计算方法。主要的测算方法有反极图法, 极图法与ODF分析法。在板材织构分析的基础上, 探讨高弹钛合金弹性各向异性的预测方法, 为改进、调整工艺提供理论依据。

1 六方晶系金属板材弹性模量的测算方法

1.1 六方晶系金属晶体弹性模量Ehkl的计算

由于六方晶系晶体具有c轴对称, 因此各晶向 (或晶面法向) 的杨氏模量E_hkl具有如下表达式 ^[4] :

式中S₁₁、S₁₃、S₃₃和S₄₄为弹性柔量系数, R₃为任意方向的方向余弦, 见下式:

因此通过 (1) 、 (2) 式, 由晶体的结构参数及弹性柔量系数可以计算六方晶系晶体的任一方向的弹性模量值。以钛晶体为例S₁₁=95.8cm²/GPa, S₁₃=-18.9 cm²/GPa, S₃₃=69.8 cm²/GPa, S₄₄=214.1cm²/GPa, c/a=1.589, 计算的E_hkl如图1所示。由图可见钛晶体的杨氏模量呈强的各向异性, c轴方向的杨氏模量E₀₀₂为最大值 (143.3 GPa) , 底面的杨氏模量最小 (104.4 GPa) 。

1.2 六方晶系板材弹性各向异性的计算方法

1.2.1 反极图法

由于反极图能给出试样指定方向上诸晶面法向出现的概率, 因此通过反极图测量可以计算试样指定方向的弹性模量, 实际上是一种统计平均的方法, 见下式:

图1 钛单晶杨氏模量取向分布图 (单位GPa)

式中P_hkl为试样任一方向晶面的极点密度, I^t_hkl、I^R_hkl为 (hkl) 晶面的X射线衍射强度, A_hkl是反极图极点密度计算时的面积权重因子。

1.2.2 极图法

Adamescu等 ^[5] 曾对六方晶系金属板材的物理性能各向异性进行了详尽地分析, 其中以钛合金板材为例, 计算的结果与实测值符合较好, 并由弹性方向性张量计算导出了板材主方向的杨氏模量。

式中E₀₀₂, E₁₀₀为钛晶体 (0002) 和 (1010) 法向的杨氏模量值。

α、β, f (α、β) (0002) 的极点密度值。 为归一化数值。因此对于任一方向的杨氏模量

式中α₁、α₂和α₃分别为试样任一选择方向与RD、TD和ND夹角的方向余弦。若只考虑板面上的弹性各向异性分布时, 可如下表示:

因此只要通过测量板材的 (002) 极图数据, 便可按 (4) ～ (7) 式计算与轧向成不同夹角γ的杨氏模量值。

1.2.3 ODF分析方法

虽然反极图法与极图法均可以测算六方晶系金属板材的各向异性弹性模量, 但它们都属于二维的表征织构, 此外在测量不同方向的反极图时, 制作叠片试样, 裁切方向很费事, 不宜做大量工作。晶粒取向分布的最完整表述方法是ODF, 尤其是利用其C系数可以简便地计算弹性模量的取向分布。Bunge等 ^[6] 采用了该方法, 导出了与Reuss近似的表达式。

式中S^R (α、β) =¹₁₅S₀+S₂·F₂ (α、β) +S₄·F₄ (α、β)

此处C₄¹ⁿ, C₂¹ⁿ为ODF的展开系数;P₂ⁿ, P₄ⁿ为连带勒让德多项式。因此通过极图测量和ODF测算, 仅利用几个的-系数便可简单地计算六方系金属板材的弹性各向异性。

2 实验方法

为测量轧向反极图, 将几片板材叠在一起构成组合试样, 然后垂直轧向切一个平面, 经机械磨光和浸蚀后, 置于APD-10衍射仪上扫测全谱。实验条件铜靶40 kV, 40 mA, 石墨单色器, 正比管2θ从20°扫测至125°。极图测量采用极图测定装置测量了 (010) , (002) , (011) 和 (012) 极图, 步进 (Δα=5°, Δβ=5°) , α扫测范围0～85°, β从0～360°, ODF测算的展开度L=22。

3 结果与讨论

表1列出高弹钛合金板材在不同退火工艺下, 轧向的杨氏模量的测算值和实测值。由这些数据可见, 计算值与实测值符合较好。这与其板材的织构分析数据是相一致的。如随退火温度的升高, 其织构由{1120} (1010) 转变成{1010}<0001>+{1013} (0001) 双重板织构, 其轧向由<1010>转向<0001>方向。由于轧向 (0002) 基极织构的集中程度增强, 所以轧向的弹性模量逐渐增大。弹性模量虽然是结构不敏感性, 但可以通过轧制工艺和退火制度, 控制织构的转变, 从而调整弹性模量的取向分布, 以利于板材的实际应用。为验证织构的转变规律, 采用叠片方法, 测量了板面及轧向的X射线衍射谱以及计算反极图。实验证实了上面的论述。

表1 高弹钛合金板在不同退火工艺下轧向杨氏模量的计算值与实测值  下载原图

表1 高弹钛合金板在不同退火工艺下轧向杨氏模量的计算值与实测值

采用极图法计算的热轧板材弹性模量随与轧向夹角的变化如表2所示。其极图和ODF如图2、3所示。由极图分析可知该板材的主要织构为 (0001) ±30°ND-TD[1010], 而由ODF分析可知主要的织构类型为{1215} (1010) , 因此轧向的杨氏模量偏低。

表2 热轧板材弹性模量的各向异性计算值与实测值  下载原图

表2 热轧板材弹性模量的各向异性计算值与实测值

图2 热轧工业钛板的 (010) , (002) , (011) 和 (012) 极图

图3 热轧工业钛板的ODF (Υ2载面, L=22)

3 结束语

采用反极图法和极图法预测了高弹钛合金板材的弹性各向异性, 所得结果与实测数据相吻合。合金板经不同退火处理后, 其织构由{1120} (1010) 转变成{1010}<0001>+{1013}<0001>双重织构, 对应的轧向弹性模量由107.7 GPa变成133.2 GPa, 该结果与实测数值相一致。

参考文献

[1] 　ZarkadesAetal.AD 1 968, 670 , 938

[2] 　LiuW .TransA2ME , 1 966, 2 36, 482

[3] 　HosrfordWF.MetalsEngineeringQuart.1 966, 6 (4) :1 3

[4] 　陈洪荪 金属的弹性各向异性 北京 :冶金工业出版社 , 1 996

[5] 　AdamescuRAetal.QuantitativeTextureAnalysis.ed .byBungeHJ.Butterworthspublishers, London, 1 990

[6] 　BungeHJ, ParkNJ.ProgramSystemforPhysicalProp ertiesofMaterials.TUClausthalInst, Metals, MetalPhys., 1 994