钛和铌都是20世纪中期发展起来的沉要罕见金属
，在耐蚀、耐高温、超导、生物相容性等方面拥有优异个性。Ti47Nb可作为二级串联战斗部的前级药型罩备选资料[1]
，TiNb影象合金作为生物医用资料拥有辽阔的利用远景[2]
，Ti45Nb合金作为一种铆钉资料在空客和波音飞机上被大量利用[3]
，Ti53Nb合金重要用于造备超导线资料[4]。Nb元素是钛合金的β相不变元素
，当钛合金Mo当量＞2.8
，即Nb元素的质量分数＞10时
，能形成β型钛合金[5]。随着Nb质量分数的增长
，钛合金β相形成能力逐步加强
，当Nb元素质量分数＞42时
，合金即便在水淬前提下也可得到单一的β相
，而当Nb元素质量分数＜42时
，分歧的热加工工艺和热处置睬有分歧的第二相析出[6-8]。Ti20Nb是某公司最新研发的一种β钛合金
，拥有低弹性模量、中等强度、高韧性、高委顿强度和抗侵蚀性
，是一种综合机能优良的新型钛合金。为相识该合金的加工机能
，及其与组织和机能之间的关系
，本文针对Ti20Nb的挤压棒材进行了相变点以上和相变点以下的分歧热处置造度
，同时对挤压棒材进行分歧加工率的径锻
，对径锻后的棒材进行退火热处置
，索求其加工率、力学机能、硬度和显微组织以及断口描摹之间的影响机理
，为领导出产提供理论凭据。

1、试验资料及工艺

1.1资料筹备

试验用Ti20Nb钛合金棒料为自造资料。试验原料为海绵钛和铌钛中央合金
，选取真空自耗电弧炉熔炼3次
，造备出规格为φ600mm的Ti20Nb钛合金铸锭
，其化学成分见表1。

利用升温金相法测得Ti20Nb钛合金的相变点为（800±5）℃
，对φ600mm的合金铸锭进行6火次铸造后
，造备出φ155mm棒坯
，而后在16MN卧式挤压机上挤压成型
，得到φ70mm棒材。Ti20Nb钛合金φ70mm棒材经过退火处置后
，在SXP-130卧式径向铸造机上经过分歧加工率的铸造
，别离得到φ50mm（加工率49%）、φ40mm（加工率67%）、φ30mm（加工率82%）、φ20mm（加工率92%）的Ti20Nb钛合金棒材。

1.2试验步骤

在φ70mm棒材上进行线切割
，别离得到尺寸为φ9mm×125mm的拉伸试样和尺寸为φ9mm×10mm的金相试样
，在SX2系列箱式电阻炉和1.2m真空退火炉平别离进行850℃保温1h水冷的固溶处置和700℃保温1h随炉冷却的退火处置。同样
，别离在φ50、φ40、φ30、φ20mm棒材上进行线切割
，别离得到尺寸为φ9mm×125mm的拉伸试样和尺寸为φ9mm×10mm的金相试样
，在1.2m真空退火炉中进行650℃保温1h随炉冷却的退火处置。

将热处置前后的金相试样打磨、抛光后
，在HF：HNO₃∶H₂O=1∶3∶7（体积比）侵蚀剂中侵蚀
，选取LeicaMM-6型光学显微镜观察显微组织。之后
，在HMV-2T岛津显微硬度计上测试试样的硬度
，测试前提为1kg/30s。凭据GB/T228.1-2010
，选取INSTRON4505型全能试验机对热处置前后的拉伸试样进行拉伸试验
，试样标距为25mm
，拉伸速度为2mm/min
，测得试样的抗拉强度Rm、屈服强度Rp0.2、伸长率A和断面收缩率Z。截取拉伸试样的断口部位
，选取JEOLJSM-5610LV扫描电子显微镜观察拉伸断口的表表描摹。

2、试验了局与分析

2.1热处置造度对显微组织的影响

铌与β钛拥有统一晶格类型
，铌在β钛中是无限固溶的。在600℃时铌在α钛中的固溶度为4%
，当铌含量超过50%时
，则形成单一β固溶体。β不变元素铌可显著降低钛的α+β/β相变点
，同时降低钛的马氏体转变起头温度（Ms点）。当铌在钛中的含量达到22.6at%时
，可使钛的Ms点降低到室温。当合金由β相区急剧冷却到室温时
，可将高温β相保留到室温[9]。Ti20Nb钛合金φ70mm棒材为近β型
，其挤压态、经过相变点以上固溶和相变点以下退火热处置后的显微组织如图1所示。由因而挤压棒材
，显著拥有典型的热加工组织（图1（a））
，挤压态和退火态依然保留了显著的加工流线。经过850℃保温1h急剧水冷后
，组织长大显著
，由图1（b）可见
，晶粒度根基达到了几百个微米
，并且衔接成块
，在大块的β相内有显著的针状马氏体组织。这种淬火ω相是β不变元素在α-Ti中的一种过鼓和固溶体
，是溶质贫化型亚不变β钛合金在难于直接析出α相的情况下而形成的一种亚稳相
，为β相析出α相的过渡相
，α相在较慢的冷却速度下即可得到[10]。

Ti20Nb钛合金φ70mm棒材在16MN卧式挤压机挤压时壮大的挤压变形热荟萃
，导致棒材心部地位散热不实时
，在短暂的挤压过程中产生了动态再结晶过程。由图1（a）可见
，分歧区域出现了一些点状的、亮白的等轴组织
，晶粒大幼达到了20～50μm。

经过700℃×1h的退火后
，等轴组织更均匀
，晶粒大幼达到了15～35μm（图1（c））。

图2为Ti20Nb钛合金φ70mm棒材经过分歧加工率后
，经650℃/1h退火处置后的显微组织。从图2（a）可看出
，φ50mm棒材显著产生了大量的再结晶
，显微组织出现为等轴组织
，晶粒尺寸在1～10μm散布
，有些再结晶组织还产生了团圆、长大。当加工率增大到67%时（图2（b））
，等轴组织变得越发藐幼
，并且由于变形的作用
，原先的等轴组织分歧水平的被拉长、拉细
，出现出显著的纤维化。当加工率达到82%、92%
，Ti20Nb钛合金棒材的晶粒进一步被破碎、细化
，晶粒被细化
，晶粒尺寸约莫在1～5μm。

2.2热处置和加工率对维氏硬度和拉伸机能的影响

Ti20Nb棒材分歧状态下的维氏硬度见表2。从表2能够看出
，φ70mm的挤压棒材经过固溶处置后
，维氏硬度提高较大
，而经过退火热处置后硬度反而降落
，注明Ti20Nb钛合金挤压棒材经过相变点以上固溶处置后由于产生了显著的组织转变和长大
，资料的硬度增大迅速。而经过低于相变点以下的退火处置后
，进一步解除了挤压过程中的残存内应力
，组织未产生显著变动
，资料的硬度缓慢降落。分歧加工率的径锻棒材
，随着加工率的增长
，棒材的硬度出现缓慢增长的趋向
，这重要是由于晶粒进一步被破碎、细化、再结晶引起的细晶强化作用所致。

图3为Ti20Nb棒材在分歧热处置态的拉伸机能。φ70mm挤压棒材经过固溶处置后强度提升、塑性降落
，而经过退火处置后强度降落、塑性提高。

φ70mm棒材经过67%以上的径锻加工后
，随着加工率的提高
，强度和塑性都在缓慢提升。对于钛金属资料
，分歧的加工方式和热处置后得到分歧的组织
，组织则决定机能。经过固溶处置后
，粗壮的β相导致φ70mm固溶态的抗拉强度和屈服强度显著提高
，伸长率和断面收缩率显著降落。退火热处置有效降低了热挤压加工后的残存应力
，所以φ70mm退火态的抗拉强度和屈服强度降低
，伸长率和断面收缩率提高。φ70mm的Ti20Nb挤压棒材经过67%以上大加工率径锻后
，晶粒产生剧烈畸变
，产生很大的变形储能
，再结晶温度也随着变形水平的增长而降低
，经过一样温度的退火处置后
，φ20mm棒材的抗拉强度达到705MPa
，屈服强度达到564MPa
，伸长率为20%
，断面收缩率为66%。

2.3加工率对断口描摹的影响

断口表表真实地纪录着整个断裂过程（从裂纹的萌生、扩大、直至最后开裂）的情况和特点[11]。以宏观目测的方式观察Ti20Nb钛合金棒材的拉伸断口时发现
，试样有显著的缩颈
，为杯锥状断口
，裂纹肇始于中心区域
，由中心区域向周围扩大
，形成灰色粗糙的纤维区域
，周围为剪切唇
，其表表光亮滑润。选取EOLJSM-5610LV扫描电子显微镜对Ti20Nb钛合金棒材的室温拉伸试样断口进行微观描摹扫描
，了局见图4。

从图4可显著看出
，大幼不等的圆形或椭圆形的凹坑-韧窝为典型的等轴韧窝
，窝内无显著的成核质点
，剪切唇区韧窝较浅
，有的有方向性
，有的无显著方向性。等轴韧窝是在拉伸正应力作用下形成的
，应力在整个断口表表上散布均匀
，显微浮泛沿空间3个方向上均匀长大
，形成等轴韧窝。这是由于金属中通常总存在着与金属相物理上分歧的同化物颗粒
，这相当于在金属基体上散布着一连串浮泛
，金属在表力作用下产生塑性延长时会使这种浮泛扩大
，浮泛间的资料产生颈缩
，使相接的资料接受强烈的剪切。随着资料持续延长
，剩下的就是浮泛之间割裂线的薄脊。最后末尾的衔接部门也被拉开
，留下两个散布着韧窝花腔的断口[12]。

Ti20Nb钛合金棒材由于加工率分歧
，且试样部门区域受力状态复杂
，因而在断口上出现了分歧状态的韧窝。韧窝的大幼、深浅及数量重要取决于资料的塑性
，φ20、φ30mm的Ti20Nb棒材的韧窝比φ40、φ50mm的要大一点、深一些。韧窝的深度重要受资料塑性变形能力的影响
，资料的塑性变形能力大
，则韧窝深度大
，反之韧窝深度幼。从图3（b）中可得到印证
，当加工率由67%提升到92%时
，棒材的伸长率和端面收缩率逐步增长
，不外这种增长的趋向比力平缓。

3、结论

（1）钛铌合金挤压棒材在相变点以上固溶处置时
，组织长大显著
，在大块的β相内有显著的针状马氏体组织。随着径锻加工率的提升
，晶粒破碎越显著
，经退火热处置后产生了显著的再结晶过程
，存在细晶强化景象。

（2）钛铌挤压棒材经过固溶处置后
，强度和硬度提高较大
，塑性降落显著。随着加工率的逐步增大
，棒材的抗拉强度、硬度、塑性都在缓慢提升
，这重要是由于细晶强化作用所致。 

（3）钛铌棒材拉伸断口为典型的等轴韧窝
，随着棒材加工率的增大
，韧窝逐步变大
，变深
，数量也增多。

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