純鈦及Ti-6Al-4V鈦合金由于具有高比強(qiáng)度、高韌性等優(yōu)異的力學(xué)性能，較低的彈性模量、耐腐蝕，在化工、航空及醫(yī)療領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，尤其是近年來醫(yī)療領(lǐng)域的新型β鈦合金設(shè)計(jì)開發(fā)。而目前國內(nèi)外對鈦合金的研究主要針對兩相鈦合金及新型β鈦合金，有關(guān)純鈦研究報(bào)道較少。文獻(xiàn)報(bào)道了純鈦組織與硬度的關(guān)系，也有報(bào)道純鈦超細(xì)晶粒化的組織與性能、純鈦循環(huán)變形的微觀結(jié)構(gòu)。作為單一相多晶體金屬材料，除材料本身化學(xué)成分的影響外，純鈦的力學(xué)性能主要與微觀晶粒尺寸及其分布有關(guān)，而純鈦的微觀組織與其熱加工、熱處理有關(guān)。工業(yè)純鈦采用鍛軋熱加工后進(jìn)行再結(jié)晶退火處理，退火溫度一般在600～700℃范圍內(nèi)。本文研究純鈦在等溫加熱過程中再結(jié)晶晶粒生長行為，分析討論等溫保溫時(shí)間對純鈦晶粒尺寸的影響。

 

鈦鋁合金型材即在工業(yè)純鈦中加入合金元素，以提高鈦的強(qiáng)度。鈦合金可分三種：a鈦合金，b鈦合金和a＋b鈦合金。ab鈦合金是由a和b雙相組成，這類合金組織穩(wěn)定，高溫變形性能、韌性、塑性較好，能進(jìn)行淬火、時(shí)效處理，使合金強(qiáng)化。鈦合金的性能特點(diǎn)主要表現(xiàn)在：a.比強(qiáng)度高。鋁鈦合金型材密度小(4.4kg/dm3)重量輕，但其比強(qiáng)度卻大于超高強(qiáng)度鋼。b.熱強(qiáng)性高。鋁鈦合金型材的熱穩(wěn)定性好，在300～500℃條件下，其強(qiáng)度約比鋁合金高10倍。c.化學(xué)活性大。鈦可與空氣中的氧、氮、一氧化碳、水蒸氣等物質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，在表面形成TiC及TiN硬化層。

 

實(shí)驗(yàn)選用TA3工業(yè)純鈦，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為:0.22%O、0.002%H、0.022%N、0.013%C、0.17%Fe。原始鑄錠經(jīng)鍛軋加工成20mm鈦棒，作為實(shí)驗(yàn)材料。將實(shí)驗(yàn)棒材切割成20mm×20mm的金相分析樣品，采用馬弗爐進(jìn)行熱處理實(shí)驗(yàn)，等溫加熱溫度均為650℃，分別保溫10min、20min、30min、40min、50min，保溫后空冷。按V(HF∶HNO3∶H2O)=1∶3∶8的酸配比腐蝕實(shí)驗(yàn)純鈦微觀組織，采用BX51Olympus金相顯微鏡進(jìn)行金相分析，采用www.nmware.com金相分析軟件對不同熱處理?xiàng)l件下的樣品進(jìn)行組織晶粒尺寸定量分析。

 

a.實(shí)驗(yàn)純鈦在650℃再結(jié)晶溫度下保溫10～50min，保溫開始階段，晶粒尺寸增長速率較慢，一些大晶粒內(nèi)出現(xiàn)孿晶，隨著保溫時(shí)間進(jìn)一步延長，晶粒尺寸增長速率逐步提高，晶粒迅速增長，孿晶消失;加熱保溫50min后晶粒完全等軸，平均晶粒度85μm，較熱軋態(tài)提高約1倍。并通過金相定量分析可知:隨著保溫時(shí)間延長，純鈦晶粒尺寸趨于較為集中的一到兩個(gè)晶粒尺寸范圍內(nèi);

b.由于熱軋態(tài)下純鈦不同晶粒間晶格畸變能的較大差異，出現(xiàn)了晶粒競爭生長現(xiàn)象，保溫初期晶粒尺寸差異明顯;由于晶體內(nèi)高晶格畸變能，并伴孿生切變，導(dǎo)致晶粒生長過程中原子擴(kuò)散速率逐步提高，晶粒增長速率增加;進(jìn)一步研究更長時(shí)間的再結(jié)晶加熱過程發(fā)現(xiàn):由于晶粒晶格畸變能及孿晶的消失，晶粒增長速率逐步降低。

 

在650℃、保溫10～50min下對純鈦進(jìn)行再結(jié)晶等溫加熱處理。保溫開始階段，晶粒尺寸增長速率較慢，由于熱軋態(tài)下純鈦不同晶粒間晶格畸變能的較大差異，出現(xiàn)了晶粒競爭生長現(xiàn)象，保溫初期晶粒尺寸差異明顯，一些大晶粒內(nèi)出現(xiàn)孿晶;在隨后的加熱過程中，由于晶體內(nèi)高晶格畸變能，并伴孿生切變，晶粒生長過程中原子擴(kuò)散速率逐步提高，晶粒增長速率增加，晶粒尺寸趨于均勻。進(jìn)一步研究更長時(shí)間的再結(jié)晶加熱過程發(fā)現(xiàn):由于晶粒晶格畸變能及孿晶的消失，晶粒增長速率將會逐步降低。