小序

TC4钛合金是一种典范的α+β型合金，，，，，，，，该合金集诸多卓越性能于一身，，，，，，，，使其在多个领域中展现出普遍的应用价值[1]。。。。。。在航空发念头行业中[2]，，，，，，，，TC4钛合金轻质高强、耐高温顺耐疲劳的特征使其成为要害部件的理想选择，，，，，，，，极大地提高了发念头的效率和耐用性。。。。。。在海洋工程中[3]，，，，，，，，由于其优异的耐侵蚀性和优异的抗应力侵蚀开裂能力，，，，，，，，其被用于制造船舶结构和海底装备，，，，，，，，确保了装备在极端海洋情形中的可靠运行。。。。。。别的，，，，，，，，在化工行业[4]，，，，，，，，TC4钛合金因其能遭受苛刻的化学情形而不被严重侵蚀，，，，，，，，包管了装备的恒久稳固运行。。。。。。

目今，，，，，，，，TC4钛合金的生产工艺研究主要依赖于古板的铸造和轧制手艺，，，，，，，，这两种要领在已往的工业生产中施展了主要作用。。。。。。然而，，，，，，，，随着全球钛行业的迅猛生长，，，，，，，，尤其是对轻量化、高强度和高精度要求的现代工业应用，，，，，，，，古板的加工工艺已无法知足要求，，，，，，，，特殊是在生产钛合金薄板方面[5]。。。。。。包覆叠轧手艺作为一种立异的生产方法，，，，，，，，其能够在坚持质料原有优异性能的同时，，，，，，，，实现薄板的高效生产，，，，，，，，极大地提升了生产效率和产品质量。。。。。。包覆叠轧法生产薄板通常包括两个要害办法：首先，，，，，，，，通过一连换向轧制工艺，，，，，，，，将初始板坯轧制至约目的尺寸的3倍。。。。。。唬唬唬唬；；；幌蛟制的作用在于匀称化板材的横向和纵向组织以及力学性能。。。。。。其次，，，，，，，，将2~4片板材叠置在双层钢套内（类似三明治式的结构），，，，，，，，然后进一步对叠加板材举行轧制，，，，，，，，逐步减小厚度，，，，，，，，直到抵达所需的制品薄板尺寸。。。。。。通过将多层TC4钛合金质料举行准确堆叠和一连变形，，，，，，，，可以获得厚度更薄、匀称性更好的薄板产品，，，，，，，，知足了现代工业关于薄板质料细腻化和大批量生产的迫切需求[6]。。。。。。

因此，，，，，，，，本文使用包覆叠轧工艺对TC4钛合金举行轧制，，，，，，，，最终制成两种差别厚度的板材，，，，，，，，研究包覆叠轧工艺对TC4钛合金板材微观组织形貌、物相组成、晶粒取向以及力学性能的影响，，，，，，，，填补并完善现有轧制工艺，，，，，，，，为TC4钛合金薄板的工程化应用提供参考。。。。。。

1、试验质料与要领

本研究以TC4钛合金为研究质料，，，，，，，，其化学因素（质量分数，，，，，，，，%）为5.9Al、4.3V、0.13O、0.11Fe、余量Ti。。。。。。接纳2450mm多辊轧机，，，，，，，，通过包覆叠轧工艺将其划分轧制成厚0.5mm与3.0mm的两种规格钛合金板材。。。。。。在完成轧制加工后，，，，，，，，对板材举行780℃×2h，，，，，，，，空冷退火处置惩罚。。。。。。

划分沿两种规格板材的轧制偏向（RD）和横向（TD）切割试样，，，，，，，，用于微观组织视察与拉伸性能测试。。。。。。在微观组织剖析方面，，，，，，，，使用Axio光学显微镜视察板材的微观形貌，，，，，，，，并通过ZIESS扫描电镜举行高倍组织形貌以及拉伸断口形貌视察，，，，，，，，使用ZIESS扫描电镜自带的背散射电子衍射剖析仪举行EBSD测试，，，，，，，，并使用Channel5软件对测试效果举行剖析。。。。。。在拉伸性能测试方面，，，，，，，，通过INSTRON万能试验机在室温条件下举行轧制偏向（RD）和横向（TD）拉伸试验，，，，，，，，为确保效果的可靠性，，，，，，，，每次测试收罗3组数据取平均值。。。。。。板材微观组织以及拉伸试验的详细取样偏向以及拉伸试样尺寸如图1所示。。。。。。

2、试验效果与讨论

2.1微观组织

图2为两种差别厚度钛合金板材的显微组织特征。。。。。。发明经由轧制后的板材，，，，，，，，其微观组织主要由α相以及未完全消融的残留β相相互交织组成，，，，，，，，且α相主要以等轴状为主，，，，，，，，同时保存少量细小线条状形貌，，，，，，，，而残留β相则漫衍于差别形貌的α相之间。。。。。。轧制组织中除晶粒细化效果显着外，，，，，，，，尚有十明确显的轧制痕迹。。。。。。这是由于板材在轧制历程中组织内部粗大晶粒爆发破碎并爆发回复与再结晶，，，，，，，，这会使爆发破碎的晶粒逐渐转变为形貌为等轴状的α相，，，，，，，，而未爆发再结晶的晶粒，，，，，，，，其形态则是条状形貌特征[7]。。。。。。

由图2还可发明，，，，，，，，0.5mm厚板材RD偏向泛起显着的带状组织（见图2(a)中位置A），，，，，，，，这是由于板材在轧制变形历程中，，，，，，，，柱面和基面的滑移主要沿c轴举行，，，，，，，，导致晶粒坚持原有的排列，，，，，，，，而锥面的滑移则陪同着晶粒的倾斜，，，，，，，，进而促使局部区域爆发旋转或再结晶[8]。。。。。。在3.0mm厚板材组织中，，，，，，，，板材RD偏向并未泛起十明确显的带状组织，，，，，，，，仅有少量的α相晶粒呈拉长形貌。。。。。。且两种厚度的板材组织中，，，，，，，，TD偏向的组织中均未发明带状形貌或被拉长α相晶粒泛起，，，，，，，，二者TD偏向均主要是以细小且等轴的α晶粒组成，，，，，，，，这是由于在TD偏向上，，，，，，，，滑移和变形的方法差别于RD偏向，，，，，，，，导致泛起了差别的微观组织形态。。。。。。

2.2拉伸性能

板材在拉伸历程中，，，，，，，，当应力沿着组织的界面扩展时，，，，，，，，会遭遇一定阻力，，，，，，，，且组织中爆发的位错会在α相与β相之间的界面上积累，，，，，，，，形成位错塞积。。。。。。在扩展裂纹尖端作用力以及位错塞积二者配相助用下，，，，，，，，会有细小空腔在α/β相界面内形成。。。。。。当组织中形成一定命目的微孔洞后，，，，，，，，众多的微孔洞会以聚合形式逐渐生长，，，，，，，，最终导致合金的整体断裂[9]。。。。。。

图3为差别厚度钛合金板材的拉伸性能。。。。。。比照发明，，，，，，，，履历更大变形量的0.5mm厚板材的TD偏向强度更高，，，，，，，，抗拉强度（Rm）为1038MPa，，，，，，，，屈服强度（0.2）为980MPa。。。。。。这是由于较大的形变会使组织内部晶体结构履历更大的畸变，，，，，，，，贮存了大宗的应变能。。。。。。这种应变为再结晶形核提供了更多的位置，，，，，，，，使得晶粒变得越发细小[10]。。。。。。大宗的细小晶粒唬唬唬唬；；；嵩椒⒂杏玫刈璋淮碓硕，，，，，，，，使得位错在晶粒内部更容易被壅闭，，，，，，，，形成了麋集的位错塞积群。。。。。。为战胜这种位错壅闭，，，，，，，，需要施加更大的外部拉力才华使位错重新移动，，，，，，，，正是这种位错运动受阻和所需的特殊拉应力，，，，，，，，使得0.5mm厚板材的强度显著提升[11]。。。。。。

别的，，，，，，，，两种厚度TC4钛合金板材不但展现出优异的强度，，，，，，，，还具备优良的塑性。。。。。。在板材的微观组织中，，，，，，，，其α晶粒主要体现为等轴状，，，，，，，，这种晶粒结构具有高度的对称性和协调性，，，，，，，，使得各个晶面之间的滑移更为顺畅。。。。。。等轴α相的特点在于拥有多个有用的滑移系，，，，，，，，这使得组织在受到拉应力作用时，，，，，，，，这些滑移系可以容易地启动，，，，，，，，从而疏散应力的漫衍，，，，，，，，而不是集中在少少数晶粒上，，，，，，，，有用地避免了应力集中征象的爆发，，，，，，，，降低了脆性断裂的危害，，，，，，，，从而使板材在具备较高强度的同时，，，，，，，，还具有较优异的塑性[12]。。。。。。3.0mm厚板材RD偏向塑性较高，，，，，，，，此时板材的断后伸长率（A）为20%，，，，，，，，但两种厚度板材的塑性整体差别较小。。。。。。

2.3各向异性

由图3可知，，，，，，，，差别厚度板材的RD与TD偏向强度之间均保存一定的差值，，，，，，，，其中，，，，，，，，0.5mm厚板材的抗拉强度差值为20MPa，，，，，，，，3.0mm厚板材的抗拉强度差值为25MPa。。。。。。由于钛合金中α相为密排六方结构，，，，，，，，而β相为体心立方结构，，，，，，，，二者具有差别的晶格类型，，，，，，，，它们在空间上的排列方法和原子间的相互作用差别。。。。。。反应在极图上，，，，，，，，这些差别的晶格结构对应着差别的对称性，，，，，，，，这对合金力学性能会爆发显著的影响[13]。。。。。。

由于钛合金具有密排六方结构，，，，，，，，其在轧制变形历程中，，，，，，，，0001 为最主要滑移面。。。。。。故对差别厚度板材在RD与TD偏向 0001 的极图举行剖析，，，，，，，，如图4所示。。。。。。发明0.5mm厚板材的RD偏向没有显着的取向集中征象，，，，，，，，即织构并不显着，，，，，，，，而在TD偏向的极图中，，，，，，，，发明其保存十明确显的取向集中，，，，，，，，其最大极密度值为8.63，，，，，，，，此时极图为显着的混淆型织构，，，，，，，，即保存B型与T型的混淆织构。。。。。。

除微观组织以及极图外，，，，，，，，对差别厚度TC4钛合金板材各向异性举行进一步剖析。。。。。。在钛合金塑性变形的历程中，，，，，，，，其基面滑移是钛合金变形历程中最为主要的塑性变形机制，，，，，，，，该滑移系的运动水平主要受到Schmid因子的影响[14]。。。。。。而Schmid因子是晶体塑性理论中的一个主要参数，，，，，，，，用于形貌晶粒取向与施加应力偏向之间的关系，，，，，，，，其巨细会直接影响拉伸历程中滑移系的启动能力。。。。。。关于钛合金而言，，，，，，，，当合金体现出的拉伸强度较低时，，，，，，，，其Schmid因子较大。。。。。。这是由于合金在受拉伸应力时，，，，，，，，较大的Schmid因子意味着相关的滑移系更容易启动，，，，，，，，合金更容易爆发塑性变形，，，，，，，，即此时合金的强度较低。。。。。。而较小的Schmid因子则会导致其相关的滑移系难以举行启动，，，，，，，，合金若要爆发塑性变形则需要在拉伸历程中施加更高的外力，，，，，，，，故此时合金的强度最先增添[15]。。。。。。这种差别主要是由于差别晶粒取向造成的，，，，，，，，由于差别晶粒的Schmid因子差别，，，，，，，，导致其内部滑移系的启动能力有所差别。。。。。。故对两种厚度TC4钛合金板材的基面滑移系 0001<1120>举行Schmid因子盘算，，，，，，，，从而进一步剖析板材爆发各向异性的深条理缘故原由，，，，，，，，效果如图5所示。。。。。。

由图5可见，，，，，，，，两种厚度板材的基面滑移系Schmid因子的波动规模主要在0~0.5之间。。。。。。在这个规模内，，，，，，，，板材差别拉伸偏向所对应的Schmid因子漫衍泛起出显着的差别。。。。。。两种厚度板材均是RD偏向的Schmid因子在0.4~0.5规模内的比例最高。。。。。。这意味着在RD偏向上容易爆发滑移，，，，，，，，从而导致质料的拉伸强度较低。。。。。。综上剖析，，，，，，，，由于RD偏向基面滑移系上的Schmid因子漫衍都集中在较高的值域，，，，，，，，导致板材在特定偏向上容易爆发滑移，，，，，，，，从而降低了质料的拉伸强度，，，，，，，，即Schmid因子增大是板材RD偏向拉伸强度较低的另一个主要缘故原由。。。。。。

2.4拉伸断口形貌

图6展现了两种厚度TC4钛合金板材经拉伸试验后，，，，，，，，其断口所展现的微观断裂形貌特征。。。。。。发明两种厚度板材的断口形貌的微观层面上泛起脱险些相同的特点，，，，，，，，其主要的韧窝特征体现为等轴状韧窝形貌（见图6(a)中位置B）。。。。。。韧窝是合金断裂历程中的形成的微观结构特征，，，，，，，，其含量和形貌对合金的塑性有着显著的影响。。。。。。当拉伸断口的韧窝数目较多且深度较深时，，，，，，，，这意味着板材在断裂历程中履历了较大的塑性变形，，，，，，，，这种变形能够吸收和疏散能量，，，，，，，，显示出合金在遭受外力作用时的优异延展性和吸收应力的能力。。。。。。

由图6还可发明，，，，，，，，两种厚度板材在拉伸历程中都展现出了较好的塑性，，，，，，，，即板材在受到拉伸时，，，，，，，，能够有用地吸收和疏散能量，，，，，，，，因此其塑性优异[16]。。。。。。与图2所泛起效果相一致。。。。。。除等轴状韧窝外，，，，，，，，在板材TD偏向的拉伸断口中还视察到部分朴陋的泛起（见图6(d)中位置C）。。。。。。这是由于裂纹在扩展历程中，，，，，，，，当其尖端遇到α晶粒时，，，，，，，，由于晶界的阻挡作用和晶粒间应力的不匀称漫衍，，，，，，，，容易在裂纹尖端引发严重的应力集中征象。。。。。。这些应力集中点会抑制裂纹的直线扩展，，，，，，，，导致裂纹爆发绕弯和偏转的征象，，，，，，，，裂纹在继续前行的历程中，，，，，，，，会沿着晶界的交汇点举行移动，，，，，，，，这种重复穿梭的历程造成了朴陋的形成[17]。。。。。。故朴陋的泛起反应了板材内部位错的累积和漫衍，，，，，，，，它们在裂纹扩展时起到了阻碍作用，，，，，，，，从而导致板材在TD偏向的强度较高。。。。。。

3、结论

1）包覆叠轧TC4钛合金板材的微观组织主要由α相以及未完全消融的残留β相相互交织组成，，，，，，，，α相的形态泛起出多样性，，，，，，，，残留β相则漫衍于差别形貌的α相之间。。。。。。轧制变形量大的0.5mm厚板材的RD偏向泛起显着的带状组织，，，，，，，，而3.0mm厚板材组织中仅有少量的α相晶粒泛起拉长形貌。。。。。。

2）包覆叠轧变形量较大时，，，，，，，，TC4钛合金板材TD偏向强度较高，，，，，，，，而变形量较小板材RD偏向塑性较高，，，，，，，，但两种厚度板材的塑性整体差别化较小。。。。。。0.5mm厚板材TD偏向抗拉强度为1038MPa，，，，，，，，屈服强度为980MPa；；；；；；；；3.0mm厚板材RD偏向断后伸长率为20%。。。。。。

3）包覆叠轧板材的RD与TD偏向强度之间均保存一定的差值，，，，，，，，爆发各向异性的缘故原由是差别拉伸偏向的组织中保存织构差别导致，，，，，，，，即TD偏向的强度较高是由于该偏向的组织中保存显着的B型与T型的混淆织构，，，，，，，，且RD偏向基面滑移系上的Schmid因子漫衍都集中在较高的值域，，，，，，，，导致该偏向上容易爆发滑移，，，，，，，，从而降低了质料的拉伸强度。。。。。。

4）包覆叠轧两种厚度板材的断口形貌险些相同，，，，，，，，其主要特征均为等轴状韧窝形貌，，，，，，，，除等轴状韧窝，，，，，，，，发明在板材TD偏向的尚有部分朴陋泛起，，，，，，，，从而导致板材在TD偏向的强度较高。。。。。。

参考文献：

[1] Wang H, Bai Q, Chen S, et al. Suppression mechanism of diamond tool wear by graphene nanofluid in micro-milling of Tc4 alloy: A study combining experimental and molecular dynamics [J]. Journal of Manufacturing Processes, 2024, 115: 310-322.

[2] Yin Z, Cheng J C, Dai C W, et al. Generation mechanism of the surface morphology on tilted ultrasonic elliptical vibration cutting Tc4 titanium alloy[J]. Precision Engineering, 2024, 88: 135-147.

[3] Feng F, Li J J, Huang L, et al. Thermoplastic forming of Tc4 titanium alloy sheet by direct pulse current electromagnetic forming[J]. Journal of Materials Science, 2022, 57(29): 14082-14095.

[4] Tong S, Ma Z C, Sun Y, et al. Temperature-induced enhancement of tensile strength of perforated Ti-6Al-4V sheet revealed through mechanical-thermal coupling quasi-static tension[J]. Materials Science and Engineering A, 2022, 845: 143235.

[5] Zhao Z L, Ji H C, Zhong Y Z, et al. Mechanical properties and fracture behavior of a Tc4 titanium alloy sheet[J]. Materials, 2022, 15 (23): 8589.

[6] 王伟, 周尚琪, 高鹏辉, 等. 退火温度对 Tc4 钛合金热轧板材的显微组织、织构和力学性能影响[J]. 质料研究学报, 2023, 37 (1): 70-80.

Wang Wei, Zhou Shangqi, Gong Penghui, et al. Effect of anneal treatment on microstructure, texture and mechanical properties of Tc4 alloy plates [J]. Chinese Journal of Materials Research, 2023, 37(1): 70-80.

[7] 王俊, 冯秋元, 雷捷, 等. 退火温度对低本钱 TC4LCA 钛合金板材组织和性能的影响[J]. 金属热处置惩罚, 2022, 47(11): 82-86.

Wang Jian, Feng Qiuyuan, Lei Ting, et al. Effect of annealing temperature on microstructure and properties of low cost TC4LCA titanium alloy plate [J]. Heat Treatment of Metals, 2022, 47(11): 82-86.

[8] 马佳艳, 张苗, 冯军宁, 等. 热处置惩罚温度对 Tc4 钛合金板材组织与力学性能的影响[J]. 钛工业希望, 2023, 40(6): 27-30.

Ma Jakun, Zhang Miao, Feng Junning, et al. Effect of heat treatment on microstructure and mechanical properties of Tc4 titanium alloy sheets [J]. Titanium Industry Progress, 2023, 40(6): 27-30.

[9] 吕明飞, 曹刚, 齐航, 等. 双重退火工艺对 TC4 钛合金板材组织和性能的影响[J]. 金属天下, 2024(1): 66-69.

Ju Chaofei, Miao Yang, Qi Hang, et al. Effect of double annealing process on microstructure and properties of TC4 titanium alloy sheet [J]. Metal World, 2024(1): 66-69.

[10] 张苗, 孙梦奇, 马佳艳, 等. TA15 钛合金中极组织与力学性能研究[J]. 钛工业希望, 2023, 40(4): 40-43.

Zhang Miao, Sun Mengqi, Ma Jakun, et al. Study on microstructure and mechanical properties of TA15 titanium alloy medium plate[J]. Titanium Industry Progress, 2023, 40(4): 40-43.

[11] 徐梦奇, 刘仁慈, 黄海广, 等. TA10 钛合金热轧板材显微组织及其性能[J]. 特种铸造及有色合金, 2023, 43(4): 543-549.

Xu Mengxi, Liu Renci, Huang Haiguang, et al. Microstructure and properties of hot continuous rolling plate of TA10 titanium alloy[J]. Special Casting and Nonferrous Alloys, 2023, 43(4): 543-549.

[12] 王学杰, 杨铮, 赵小龙. 差别热处置惩罚制度对 Cr. 38 钛合金板材的组织性能的影响[J]. 锻压手艺, 2024, 49(3): 202-206.

Wang Xingyun, Yang Zheng, Zhao Xiaolong. Influence of different heat treatment systems on microstructure and properties of Cr. 38 titanium alloy plate[J]. Forging and Stamping Technology, 2024, 49 (3): 202-206.

[13] 张雄, 张然, 张晴, 等. 轧制温度与变形量对 TB2 钛合金微观组织和力学性能的影响[J]. 金属热处置惩罚, 2023, 48(2): 206-211.

Zhang Xiong, Jing Ran, Zhang Qing, et al. Effect of rolling temperature and amount on microstructure and mechanical properties of TB2 titanium alloy[J]. Heat Treatment of Metals, 2023, 48(2): 206-211.

[14] Liu B, Liu C L, Li X W, et al. Aging treatment induces the preferential crystallographic orientation of α, in the near-α titanium alloy Ti60[J]. Metals, 2024, 14(5): 602-613.

[15] Wang B N, Zeng W D, Zhao Z B, et al. Effect of micro-texture and orientation incompatibility on the mechanical properties of Ti60 alloy [J]. Materials Science and Engineering A, 2023, 881: 145419.

[16] He R X, Peng H T, Liu F L, et al. Crack initiation mechanism and life prediction of Ti60 titanium alloy considering stress ratios effect in very high cycle fatigue regime[J]. Materials, 2022, 15(8): 2800.

[17] 姬忠硕, 袁清杰, 张麦仓. Tc4 合金高温拉伸性能及其与织构的要害性[J]. 质料热处置惩罚学报, 2018, 39(8): 28-37.

Ji Zhongshuo, Yuan Jingjun, Zhang Maicang. High temperature tensile properties of Tc4 alloy and its relationship with texture[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2018, 39(8): 28-37.

[18] 刘畅, 董月成, 方志刚. 新型高强韧 Ti-Al-Fe-B 系钛合金组织和性能研究[J]. 有数金属质料与工程, 2020, 49(5): 1607-1613.

Liu Chang, Dong Yuecheng, Fang Zhigang. Microstructure evolution and mechanical properties of new Ti-Al-Fe-B titanium alloy with high strength and ductility[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2020, 49(5): 1607-1613.

[19] 安霞, 李英晨, 王琛, 等. Ti55521I 钛合金片层组织拉伸历程裂纹扩展的 SEM 原位视察[J]. 有数金属质料与工程, 2019, 48(3): 853-858.

An Zhen, Li Tianqi, Wang Chen, et al. In-situ SEM observations on tensile deformation behavior of Ti55521I titanium alloy with lamellar structure[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2019, 48(3): 853-858.

[20] Zhang M Y, Yun X B, Fu H W. Effect of BASC and BASCA heat treatment on microstructure and mechanical properties of TC10 titanium alloy[J]. Materials, 2022, 15(22): 8249.

相关链接