引言

鈦合金可通過熱軋變形改善其粗晶組織。軋制過程中，合金主要經歷以回復、形核及晶粒長大為主導的動態再結晶，和以位錯滑移為核心的塑性變形，從而顯著改變其微觀組織與力學性能。熱塑性變形過程通常伴隨動態再結晶的發生，該過程為獲得細晶乃至超細晶組織的有效途徑。然而根據變形參數的差異，動態再結晶在組織演變中呈現出不同特征，主要分為連續動態再結晶、不連續動態再結晶及幾何動態再結晶三類。金屬或合金的高溫變形行為受應變速率、變形溫度及應變量等參數主導，這些參數同時調控著變形機制的轉變[1-2]。

軋制速度是棒材熱連軋成形過程中的關鍵工藝參數，直接決定棒材的力學特征及溫升情況。現有文獻對鋼鐵、銅合金、鋁合金、鎂合金、銅/鋁復合材料等材料的軋制速度與變形行為已有較充分研究[3-6]，然而針對鈦合金棒材在高速連續軋制過程中的變形行為，特別是軋制速度對微觀組織演變及力學性能影響規律的相關研究仍較為匱乏，導致制定軋制工藝參數時缺乏可靠的理論參考依據。

本文基于熱連軋生產線,通過精確調控變形參數,系統地研究在恒定軋制溫度及變形量條件下,連軋速度對TC4鈦合金棒材組織與力學性能的影響規律。

1、試驗

1.1試驗材料

原材料選用TC4合金Φ150mm鍛造棒坯,經熱連軋粗軋機組于  β單相區軋制成  Φ53mm試樣棒材。該棒材心部呈現片層狀魏氏組織,原始  β晶粒內部存在不同取向的α集束;邊部則為部分破碎的細片層狀組織,其特征為存在大量斷續分布的晶界a相。材料化學成分詳見表1，顯微組織形貌如圖1所示。

表1 TC4鈦合金樣棒的化學成分

Tab.1 The chemical composition of TC4 alloy bars

牌號	相變點/℃						化學成分	/%
		Ti	Al	V	Fe	C	N	H	O	Y	單一	總合
TC4	988	余量	6.3	4.1	0.04	0.01	0.01	-	0.18	<0.005	<0.1	0.3
			6.4	4.1	0.04	0.01	0.02		0.18

1.2試驗方法

將初始尺寸為Φ53mm的TC4合金鑄坯加熱至其β/α+β轉變溫度以下30~50℃,在熱連軋生產線上設定總變形量為95%，經12道次連續軋制至Φ12mm棒材。設定連軋速度分別為3、4、5、6、7及8m/s，對各速度參數下制備的棒材進行取樣，進行金相組織分析與力學性能測試。

2、結果與分析

2.1連軋速度對組織形態的影響

圖2所示為總變形量設定為95%，連軋速度分別為3、4、5、6、7、8m/s時軋制的TC4鈦合金Φ12mm棒材的橫截面心部高倍組織。

根據圖2所示結果，當連軋速度為3m/s時，Φ53 mm樣棒的魏氏組織經95%的連續變形，原始β晶界已充分破碎并細化，組織呈現為初生α+β相構成的兩相區組織。此時初生α相含量超過90%，呈細條狀均勻分布。隨著連軋速度提高，形變溫升導致初生α相含量顯著降低，其形態由細條狀逐漸轉變為等軸狀且晶粒明顯細化。當連軋速度增至5m/s時，初生α相完全轉變為細小等軸狀，呈均勻彌散分布，其質量分數維持在75%~80%區間。繼續提升連軋速度至7m/s時，形變溫升效應使初生α相含量急劇下降至約20%，局部區域呈現相變趨勢;當速度進一步增至8m/s時，初生α相完全消失并出現β晶界，表明材料發生相變。

由于軋制過程采用橢圓-圓孔型系統,軋件在各道次變形中最大變形程度與平均變形程度存在顯著差異。軋件與軋輥接觸區域因摩擦因數較高，且隨軋制變形速度增加，其表面橫向變形受到孔型摩擦力的強烈約束而顯著受限，導致表層金屬橫向流動受阻并向心部區域傳遞壓力，致使心部金屬發生劇烈縱向變形，進而造成中心區域變形熱顯著升高[7-8]。然而，鈦合金固有的低熱導率阻礙了心部變形熱向表層的有效傳導，致使熱量在芯部持續積聚。當累積溫度超過α/β相變臨界點時，將誘發相變并形成β相晶粒。

2.2連軋速度對力學性能的影響

表2為采用不同連軋工藝參數制備的TC4鈦合金Φ12 mm棒材,經750℃保溫60 min并空冷處理后所測得的室溫力學性能數據。

表2不同連軋速度下TC4鈦合金Φ12mm棒材室溫力學性能

Tab.2 The room mechanical properties of alloy bars at different continuous rolling speeds

連軋速度/	抗拉強度  R m /MPa	規定非比例延伸強  R p0.2 /MPa	斷后伸長 率A/%	斷面收縮 率Z/%
3	975	885	18	51
4	985	910	18	50.5
5	1018	925	18.5	51
6	1000	905	19	51
7	988	890	18.5	50
8	935	820	13	46

根據圖3的性能變化趨勢，可以觀察到:隨著連軋速度從3m/s提升至5m/s,棒材的強度指標R和  R p0.2 均有所提升,且在連軋速度為5m/s時達到最大值。然而，塑性指標A和Z在此過程中基本保持不變。接著，當連軋速度進一步從5m/s提升至7m/s時,棒材的強度指標  R m 和  R p0.2 開始下降,但降幅并不顯著，而塑性指標A和Z仍然維持穩定。然而，當連軋速度超過7m/s時，棒材的強度指標  R m 、R p0.2 以及塑性指標A、Z都迅速下降，直至在連軋速度為8m/s時達到最低值。

3、結論

(1)隨著連軋速度的提升，TC4鈦合金Φ12mm棒材高倍組織中初生α相的形貌由條狀逐漸轉變為等軸狀，且晶粒顯著細化;在此過程中，因形變溫升效應導致初生a相含量有所降低。當連軋速度為5 m/s時，初生a相完全呈細小等軸狀且均勻彌散分布，其質量分數為75%~80%，且達最優組織狀態。當連軋速度增至7m/s時，初生α相含量急劇下降并呈現相變趨勢;當連軋速度進一步提高至8m/s時，初生α相完全消失并伴隨β相晶界析出，材料發生完全相變。

(2)隨著連軋速度的提高，鈦合金TC4Φ12mm棒材的力學性能在5m/s時強度達到峰值，且強塑性匹配最優;當連軋速度超過7m/s時，其力學性能指標顯著降低。

(3)綜合連續軋制速度對顯微組織與力學性能的影響研究表明，當TC4合金棒材于β/α+β相變點以下30~50℃實施軋制、總變形量不超過95%時，將連續軋制速度控制在5m/s可制得顯微組織均勻且力學性能優異的產品。臨界軋制速度確定為7m/s,當連續軋制速度超過該臨界值時，產品的顯微組織形貌與綜合力學性能均呈現顯著劣化趨勢。

參考文獻

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（注，原文標題：連軋速度對TC4鈦合金棒材組織性能的影響_王田）

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