純鈦及Ti-6Al-4V鈦合金由于具有高比強度、高韌性等優(yōu)異的力學性能，較低的彈性模量、耐腐蝕，在化工、航空及醫(yī)療領(lǐng)域得到廣泛應用，尤其是近年來醫(yī)療領(lǐng)域的新型β鈦合金設(shè)計開發(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)純鈦研究報道較少。文獻報道了純鈦組織與硬度的關(guān)系，也有報道純鈦超細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，除材料本身化學成分的影響外，純鈦的力學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，能進行淬火、時效處理，使合金強化。鈦合金的性能特點主要表現(xiàn)在：a.比強度高。鋁鈦合金型材密度小(4.4kg/dm3)重量輕，但其比強度卻大于超高強度鋼。b.熱強性高。鋁鈦合金型材的熱穩(wěn)定性好，在300～500℃條件下，其強度約比鋁合金高10倍。c.化學活性大。鈦可與空氣中的氧、氮、一氧化碳、水蒸氣等物質(zhì)產(chǎn)生強烈的化學反應，在表面形成TiC及TiN硬化層。

 

實驗選用TA3工業(yè)純鈦，化學成分(質(zhì)量分數(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，作為實驗材料。將實驗棒材切割成20mm×20mm的金相分析樣品，采用馬弗爐進行熱處理實驗，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的酸配比腐蝕實驗純鈦微觀組織，采用BX51Olympus金相顯微鏡進行金相分析，采用www.nmware.com金相分析軟件對不同熱處理條件下的樣品進行組織晶粒尺寸定量分析。

 

a.實驗純鈦在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，隨著保溫時間進一步延長，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:隨著保溫時間延長，純鈦晶粒尺寸趨于較為集中的一到兩個晶粒尺寸范圍內(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，導致晶粒生長過程中原子擴散速率逐步提高，晶粒增長速率增加;進一步研究更長時間的再結(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散速率逐步提高，晶粒增長速率增加，晶粒尺寸趨于均勻。進一步研究更長時間的再結(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。