焊接過程中的再結(jié)晶行為研究機(jī)械制造專業(yè)

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1、 第 28 頁 目 錄 摘要 Ⅲ Abstract Ⅲ 第一章 緒論 5 1.1鈦合金主要的焊接工藝介紹 5 1.2閃光焊介紹 6 1.2.1閃光焊的發(fā)展 6 1.2.2閃光焊的工藝 7 1.2.3閃光對(duì)焊設(shè)備 8 1.2.4閃光焊總結(jié) 8 1.3鈦合金的分類及性能 9 1.3.1鈦合金的分類 9 1.3.2鈦合金的熱學(xué)、力學(xué)性能 10 1.3.3鈦合金的化學(xué)性能 11 1.4 TA19微觀組織的研究現(xiàn)狀 11 1.5 本文主要研究內(nèi)容及目的 14 第二章 實(shí)驗(yàn)條件與方法 14 2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 14 2.2實(shí)驗(yàn)

2、材料 15 2.3實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì) 17 第三章 TA19焊接接頭的再結(jié)晶行為研究 18 3.1、TA19焊縫周圍組織及再結(jié)晶行為 19 3.2、TA19固溶時(shí)效后對(duì)硬度的影響 21 3.2.1 TA19焊縫周圍組織的硬度變化 21 3.2.2固溶時(shí)效對(duì)焊縫組織的再結(jié)晶及硬度影響 22 第四章 實(shí)驗(yàn)總結(jié) 23 參考文獻(xiàn) 24 致 謝 25 摘要 鈦是一種性能優(yōu)良的材料，其發(fā)展時(shí)間較短，卻獲得廣泛的重視，并應(yīng)用于航空航天的國家重要戰(zhàn)略民用或軍用產(chǎn)品中，其制造的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件質(zhì)量輕，性能好，耐高溫耐腐蝕。TA19是鈦合金中一種近α合金，其焊接性能較好，基體的力學(xué)性能

3、也較為優(yōu)良。在制造截面積較大的鈦合金結(jié)構(gòu)件中，經(jīng)常使用閃光焊對(duì)TA19進(jìn)行焊接，其焊接變形小、雜質(zhì)少、對(duì)環(huán)境要求不苛刻，焊接出的構(gòu)件缺陷少，故研究閃光焊對(duì)TA19再結(jié)晶行為影響有著重要的實(shí)際意義。 本文通過對(duì)試樣進(jìn)行焊接，將試樣切割成3塊，并對(duì)后兩塊進(jìn)行固溶和固溶時(shí)效處理。并對(duì)三塊試樣進(jìn)行金相拍攝，硬度測(cè)試，以研究焊接過程對(duì)TA19微觀組織的變化，以及組織變化對(duì)硬度性能的影響。主要結(jié)果如下： 1、 焊接接頭部分得到了魏氏組織，并在距離焊縫1.5mm內(nèi)左右都存在這種組織。這種組織的塑性較差、斷裂韌性差，但是強(qiáng)度較好。隨著距離焊縫越來越遠(yuǎn)，α相的球化現(xiàn)象越來越明顯，但是受到頂鍛力的影響，α相取

4、向傾斜且互相平行。并最終在焊縫4mm處，α相完全球化，看到了基體組織。焊縫的熱影響區(qū)內(nèi)，組織的各個(gè)部分硬度大體相同，都介于350GPa到380GPa之間，且在距焊縫2mm處焊縫硬度達(dá)到最大。 2、固溶時(shí)效處理后，焊縫周圍組織由魏氏組織，再結(jié)晶形成網(wǎng)籃組織。時(shí)效過后的組織平均硬度得到較大提高，并在距離焊縫1到2mm處硬度達(dá)到最大。但是平均硬度變化差別并不大。所以固溶時(shí)效對(duì)焊縫的性能提升有較大幫助的。 關(guān)鍵詞：TA19鈦合金、閃光焊、再結(jié)晶、固溶時(shí)效 Abstract Titanium is an excellent material, the development time is sh

5、orter, has gained wide attention, and applied to aerospace important strategic civil or military products, the quality of its structure light engine manufacturing, good performance, high temperature preservative. TA19 is in a near α titanium alloy, good weldability, mechanical properties of the matr

6、ix is relatively good. In the manufacture of large cross-sectional area of the titanium alloy structure, often using flash welding of TA19 welding, welding deformation small, fewer impurities, environmental requirements are not demanding, less welding defects out of the member, so research flash wel

7、ding of TA19 again crystallization behavior has important practical significance. Based on a sample weld, the sample was cut into three, two solid solution and solid solution and aging treatment. And three samples were taken microstructure, hardness testing, the welding process in order to study th

8、e microstructure of TA19 changes, organizational changes and the impact on the hardness properties. The main results are as follows: 1、 Welded joints have been part Widmanstaten and there are such organizations within the distance around the weld 1.5mm. Poor plasticity of such organizations, the fr

9、acture toughness is poor, but good strength. As more and more away from the weld, the ball of α-phase phenomenon more and more obvious, but affected by upsetting force, α-phase orientation inclined parallel to each other. And eventually finished in the weld at 4mm, α phase of globalization, saw the

10、matrix organization. Weld heat-affected zone, the various parts of the organization substantially the same hardness, are between 350GPa to 380GPa, and at 2mm away from the weld seam hardness maximum. 2、 after solution and aging treatment, the tissue around the weld Widmanstaten recrystallization ba

11、sket formed organization. The average hardness after aging organization has been greatly improved, and the hardness of 1 to 2mm at maximum distance from the weld. But the average change in hardness difference is not large. So Solution Aging on the weld performance of great help. Keywords: TA19 tita

12、nium alloys、Flash welding、Recrystallization、Solution and aging 第一章 緒論 鈦是一種較新的材料。上世紀(jì)五十年代初期，當(dāng)時(shí)一個(gè)突出的問題是已有的輕質(zhì)合金材料遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)件和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)不見對(duì)溫度的要求，促使人們對(duì)鈦重視起來。與普通合金相比，鈦的比重輕，而熔點(diǎn)高，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)中（從關(guān)鍵的導(dǎo)彈和飛機(jī)構(gòu)建到抗腐蝕的陽極化處理的機(jī)架）的各個(gè)使用部門。上世紀(jì)五六十年代，鈦合金主要用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研究。而七十年代開始，人們開發(fā)了新型鈦合金，這種鈦合金耐腐蝕性較以往有很大的提高。八十年代以來，鈦

13、合金的耐蝕性能又得到了更大的發(fā)展。鈦以及鈦合金主要用于航空、航天飛機(jī)的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)件。我國現(xiàn)在大力發(fā)展航空航天工業(yè)，TA19被合金大量應(yīng)用于導(dǎo)彈、衛(wèi)星、發(fā)動(dòng)機(jī)等重要戰(zhàn)略工業(yè)產(chǎn)品中。我國自主研發(fā)的東風(fēng)導(dǎo)彈也同樣使用了鈦合金。所以研究鈦合金，對(duì)國家發(fā)展、國家安全有很大意義。在焊接產(chǎn)品的過程中，研究鈦合金的微觀形態(tài)有助于了解合金變化過程，調(diào)整工藝，制造比強(qiáng)度更高，缺陷更少，塑形更好的鈦合金，因此本文重點(diǎn)研究TA19合金在焊接過程中的再結(jié)晶行為，以望使焊接區(qū)缺陷更少，制造更優(yōu)秀的產(chǎn)品。 1.1鈦合金主要的焊接工藝介紹 在制造航空航天飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件中，不少結(jié)構(gòu)件的尺寸很大，無法做到一體成

14、型，需要對(duì)兩塊或者多塊鈦合金進(jìn)行焊接處理，所以鈦合金的焊接研究是重要且不可避免的。而焊接過程就意味著基體組織的改變，有可能產(chǎn)生新的缺陷。在去的60年里，鈦合金的焊接工藝突飛猛進(jìn)，可以選用的焊接方法有很多，而鈦合金本身的熱敏感性并不高，多種焊接方法實(shí)用效果都較好，我們簡單介紹幾種鈦合金的焊接方法，包括熔焊、點(diǎn)焊、對(duì)焊、冷焊，并著重研究閃光焊對(duì)鈦合金焊縫處的組織結(jié)構(gòu)性能的影響，以及缺陷的去除。 1.1.1鈦合金主要焊接方法的簡單介紹 熔焊：熔焊是所有焊接方法中最普通的一種，它在鈦基材料方面的應(yīng)用，已經(jīng)收到廣泛的注意。由于鈦能與氧、氮、碳和氫發(fā)生反應(yīng)而脆化，故不能使用火焰焊接法。必須采

15、用電弧焊接法。由此發(fā)展了兩種不同的技術(shù)，一個(gè)事普通惰性氣體保護(hù)罩電弧法的擴(kuò)展，而另一種是在充滿惰性氣體的箱內(nèi)進(jìn)行焊接操作，使焊縫完全不被氣體沾污。其選用的方法又材料的大小決定。應(yīng)當(dāng)注意的是，惰性氣體氛圍中，如果氧和氮的量超過了0.25％，則足以引起焊接接頭的嚴(yán)重脆化。 點(diǎn)焊：可以在工業(yè)鈦板及其合金板內(nèi)形成優(yōu)質(zhì)的焊點(diǎn)，這是由于鈦具有低的熱導(dǎo)率、低導(dǎo)電率、低膨脹系數(shù)，以及在各不相同的焊接條件下仍可得到滿意的結(jié)果。點(diǎn)焊不需要保護(hù)氣氛，重要的是待焊接的金屬表面必須潔凈。材料必須脫脂，如果進(jìn)行酸洗，雖非必要，但更可靠一些。 冷焊：冷焊這個(gè)過程取決于基體金屬和它的氧化

16、物皮層之間的延展性差異，因?yàn)檫@個(gè)過程是使兩片彼此緊密接觸的待焊接金屬變形，從而合二為一，所以表面上的氧化膜必須破裂，然后焊縫才暴露出清潔的金屬。鈦冷焊時(shí)達(dá)到這點(diǎn)要求所需要的變形程度比鋁所需要的大，但是考慮到其變形程度的范圍，要運(yùn)用到工業(yè)中，可行性不高，所以時(shí)至今日，冷焊仍然為被大量運(yùn)用到工業(yè)當(dāng)中。 對(duì)焊即對(duì)接電阻焊。這是一種常見的焊接方式，包括電阻對(duì)焊和閃光對(duì)焊兩種。對(duì)于鈦來說，對(duì)接電阻焊不論在保護(hù)氣氛下，或不在保護(hù)氣氛下，都能有效地進(jìn)行。對(duì)焊時(shí)，材料中發(fā)生變形，晶粒細(xì)化，因此對(duì)焊的優(yōu)點(diǎn)是能消除由于晶粒成長而導(dǎo)致的延展性降低問題。這種經(jīng)歷長大現(xiàn)象常在其他焊接操作中遇到。雖然使用保護(hù)

17、氣氛，可以改進(jìn)焊縫的品質(zhì)，但由于一部分被大氣沾污的最嚴(yán)重的液態(tài)鈦，在此種焊接過程中，從焊縫中被擠出，故使用保護(hù)氣氛的作用并不十分重要。整體來看，使用對(duì)接電阻焊，其焊縫的質(zhì)量較好，既沒有夾雜物，也沒有氣孔。而閃光焊由于其優(yōu)秀性能，低污染等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在鈦合金的焊接過程中。本文討論的即此種焊接。閃光焊可以分為連續(xù)閃光焊和預(yù)熱閃光焊。連續(xù)閃光焊，分為閃光階段和頂鍛階段。預(yù)熱閃光對(duì)焊只閃光階段只是在閃光階段前增加了預(yù)熱階段。閃光對(duì)焊的工件準(zhǔn)備包括端面幾何形狀、毛坯端頭的加工和表面清理。其焊接的面積較大，可以達(dá)到接近100cm2。隨著數(shù)控技術(shù)以及電腦的快速發(fā)展，數(shù)控在閃光焊的運(yùn)用越來越多，提供更加精

18、確、高效率的焊接方式。電阻對(duì)焊的焊接面積很小，只有接近2cm2左右，適用范圍較閃光焊要窄一些，在工業(yè)上的作用也不如閃光焊。而對(duì)于焊接截面較大的工件，比如建筑物的結(jié)構(gòu)件，地鐵的鐵軌等，使用閃光焊更實(shí)際，其焊接面積叫電阻對(duì)焊大兩個(gè)量級(jí)。但其工藝比較復(fù)雜。 1.2閃光焊介紹 1.2.1閃光焊的發(fā)展 閃光焊和電阻焊接近在同一時(shí)間出現(xiàn)的。有關(guān)電阻對(duì)焊最早的記錄是在十九世紀(jì)的九十年代，美國的湯姆遜教授得到了電阻對(duì)焊的專利。緊接著，世界上第一臺(tái)利用電阻焊專利的電阻焊機(jī)被發(fā)明出來。在1903年,閃光對(duì)焊首先被德國人發(fā)明出來,在上世紀(jì)的50到70年代,歐洲、美洲和日本等某些國家,完善了閃光焊的理論基礎(chǔ),這

19、個(gè)階段閃光焊得到了極大的發(fā)展。在將工件送進(jìn)以完成焊接的過程,由開始的手動(dòng)、電動(dòng)凸輪漸漸過渡到液壓系統(tǒng)控制;在電壓的控制方式上,由插刀式的級(jí)數(shù)轉(zhuǎn)換器,逐漸發(fā)展為水銀引燃管,然后朝著晶閘管發(fā)展;在供電波形方面,由單相交流,逐漸演變?yōu)槿啻渭?jí)整流。在閃光焊接的焊機(jī)容量方面,焊接的截面面積越來越大，被人們逐漸研發(fā)并運(yùn)用到工業(yè)當(dāng)中。在上世紀(jì)的60到70年代,由西德公司研制的閃光焊接機(jī),功率達(dá)400千瓦,頂鍛力可以達(dá)到700 噸,可焊截面積為100cm2;由日本研制的3000千瓦的薄板閃光對(duì)焊機(jī),可焊接寬度為180厘米的鋼板。 工業(yè)的快速發(fā)展，使得所需焊接的零部件的焊接面積越來越大，國外一些廠家發(fā)明了程

20、序控制降低電壓閃光對(duì)焊以及脈沖閃光焊兩種新方法。程序控制降低電壓閃光對(duì)焊由連續(xù)閃光焊而來。程序控制降低電壓閃光對(duì)焊采用較高的次級(jí)空載電壓,隨后,伴隨端面的溫度的增加，相對(duì)容易激發(fā)閃光,同時(shí)，為了均勻加熱，電壓逐漸降低，并且進(jìn)給速度保持不變，用來達(dá)到提高熱效率的目的。頂端之前，為達(dá)到加強(qiáng)自我保護(hù)的作用的目的，確保激烈閃光。需要提高速度，同時(shí)提高次級(jí)電壓。 巴頓焊接研究所發(fā)明了脈沖閃光焊方法。其原理是在焊機(jī)動(dòng)夾具的推進(jìn)行程上再加上一個(gè)往復(fù)振動(dòng),振動(dòng)的頻率為11～34赫茲,振幅為0.24～1.0毫米。通過振動(dòng)使工件不斷地進(jìn)行接觸和分離。與一般的閃光對(duì)焊相比,在焊接的這段時(shí)間內(nèi)，沒有液態(tài)鈦的自發(fā)爆破

21、,濺射的金屬微粒小,火口淺,熱效率是原來的兩倍,頂鍛留量可以變?yōu)榈饺种坏蕉种弧? 從上世紀(jì)80年代開始,計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，使得其廣泛的應(yīng)用到電阻焊當(dāng)中。許多計(jì)算機(jī)控制箱用于電阻焊，尤其是點(diǎn)焊，計(jì)算機(jī)在其中扮演的是對(duì)參數(shù)的校準(zhǔn)角色。同時(shí),閃光焊也有了長足的進(jìn)步,計(jì)算機(jī)的控制與檢測(cè)同樣廣泛應(yīng)用到閃光焊當(dāng)中。其中最惹眼的是日本研發(fā)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)的閃光焊機(jī),即次級(jí)電壓反饋式閃光焊機(jī)。自適應(yīng)控制系統(tǒng)可以在焊接過程進(jìn)行檢測(cè),如電壓、電流等等,然后根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的閾值的相比較,由控制系統(tǒng)去改善焊接過程,由此可以大幅度提高焊接工件的質(zhì)量。同時(shí),其檢測(cè)裝置與記錄裝置也馬上被研制出來,為

22、焊件的質(zhì)量提高提供了數(shù)據(jù)支持。而我國的對(duì)閃光焊的研究起步較晚，也較為落后。 1.2.2閃光焊的工藝 在目前,連續(xù)閃光焊的焊接過程包括閃光、頂鍛、保持和恢復(fù)等。其中,前兩個(gè)過程很重要，是形成焊接接頭的主要過程。閃光焊實(shí)際上是兩個(gè)工件接觸通電，產(chǎn)生焦耳熱，導(dǎo)致焊接接頭融化的過程。這個(gè)過程會(huì)產(chǎn)生大量的熱,用以將焊件過燒，所以閃光階段是閃光焊的主要過程。熱源來自于液體過梁的電阻和工件滋生的電阻,前者是最主要的。閃光階段還可以燒掉工件端面上的臟物,使得接下來焊接接頭上形成一層液體金屬層。頂鍛力可以對(duì)工件施壓,擠出過燒的液態(tài)金屬、雜質(zhì)等,使得工件的焊接接頭部門及其熱影響區(qū)獲得必要的塑性變形和再

23、結(jié)晶，已達(dá)到將兩塊金屬焊接在一起的目的。 預(yù)熱閃光焊相比連續(xù)閃光焊,相當(dāng)于在連續(xù)閃光焊之前加個(gè)預(yù)熱階段,通過這種方法使得工件達(dá)到目標(biāo)溫度(對(duì)鋼來說是85050攝氏度),然后再閃光和頂鍛。預(yù)熱階段可以分為短路預(yù)熱和閃光預(yù)熱。短路預(yù)熱是不斷地將兩工件碰觸、分開,接觸時(shí)會(huì)通過電流產(chǎn)生短路，從而預(yù)熱。而閃光預(yù)熱則是多次將工件輕微接觸，激發(fā)閃光來進(jìn)行預(yù)熱。閃光預(yù)熱的方法較短路預(yù)熱更復(fù)雜。連續(xù)閃光焊可將面積為10cm2左右的閉合零件進(jìn)行焊接,如車圈、鋁窗等。而預(yù)熱閃光焊的焊接面積更大，可達(dá)到50到100平方厘米，甚至鋼軌對(duì)接接頭也可以進(jìn)行焊接。為了獲得更優(yōu)質(zhì)的焊件，對(duì)閃光和頂鍛的控制一定要嚴(yán)格。

24、在閃光階段完成之后，要盡量保證焊縫的周圍不被氧化，而熱影響區(qū)的溫度也有一定要求。在頂鍛階段完成后，要保證焊縫及其周圍一定區(qū)域產(chǎn)生足夠的塑性變形。預(yù)熱階段完成后，工件的端面溫度要均勻。為滿足上述要求,必須對(duì)閃光焊的某些參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇。其中比較重要的參數(shù):調(diào)伸長度L,閃光留量Δf,閃光速度Vf,頂鍛留量Δu,頂鍛速度Vu,頂鍛壓力Fu,夾緊力Fc,預(yù)熱溫度Tpr等等。 1.2.3閃光對(duì)焊設(shè)備 閃光焊設(shè)備主要由機(jī)械裝置、供電裝置和控制裝置三部分組成。其機(jī)械裝置包括機(jī)架、導(dǎo)軌、夾緊機(jī)構(gòu)以及送進(jìn)機(jī)構(gòu)。夾緊機(jī)構(gòu)包括動(dòng)夾具和定夾具,過去的夾緊機(jī)構(gòu)有彈簧式和偏心輪式,之后出現(xiàn)了氣壓式和液壓式。目前液壓

25、式被國外的工廠普遍采用。送進(jìn)機(jī)構(gòu)可以將工件送入,以前的送進(jìn)機(jī)構(gòu)有彈簧式、手動(dòng)杠桿式和電動(dòng)凸輪式,目前較先進(jìn)的是液壓傳動(dòng)式。閃光焊機(jī)的供電系統(tǒng)包括焊接變壓器、輸出功率調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和焊接回路。焊接變壓器是供電系統(tǒng)的核心,按其結(jié)構(gòu)分為殼型、芯型和環(huán)型。主流上最多使用的是殼型變壓器。輸出功率調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),比較老舊的方法是采用級(jí)數(shù)轉(zhuǎn)換器,即改變焊接變壓器的初級(jí)匝數(shù)，從而調(diào)節(jié)其二級(jí)電壓,從而對(duì)功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。目前發(fā)展的可以對(duì)變壓器接入晶閘管等元件,這種方法可以達(dá)到對(duì)電壓的無級(jí)調(diào)節(jié),從而達(dá)到調(diào)節(jié)輸出功率的目的。閃光焊機(jī)可以通過主電力開關(guān)進(jìn)行控制裝置，或者通過其它焊接過程程序控制裝置?？刂蒲b置作用是:(1)可以穩(wěn)定得對(duì)

26、閃光焊接機(jī)進(jìn)行開關(guān);(2)使及其按照預(yù)設(shè)的焊接過程進(jìn)行焊接;(3)對(duì)電流以及焊接時(shí)長進(jìn)行均勻變化;(4)對(duì)焊接接頭的焊接質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控。傳統(tǒng)的程序控制通過邏輯門電路來實(shí)現(xiàn),但是自上世紀(jì)80年代以來，電腦的快速發(fā)展，閃光焊的程序控制逐漸由計(jì)算機(jī)來承擔(dān),在國外很多工廠已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。 1.2.4閃光焊總結(jié) 閃光焊是電阻焊的一種，但是應(yīng)用越來越廣泛，在金屬的焊接中不可或缺，隨著計(jì)算機(jī)的跳躍式發(fā)展，相信以后閃光焊會(huì)朝著智能化、科技化發(fā)展。閃光焊的性能優(yōu)越，保護(hù)環(huán)境對(duì)焊接質(zhì)量的影響不大，在一些優(yōu)秀的閃光焊接及其中，計(jì)算機(jī)的智能控制也保證了焊接的質(zhì)量。所以研究閃光焊對(duì)鈦合金的焊接過程，有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

27、 1.3鈦合金的分類及性能 1.3.1鈦合金的分類 鈦合金的分類方法有很多，早期大多數(shù)采用麥克格維綸提出的按照退火狀態(tài)相的組成對(duì)鈦合金進(jìn)行分類。然而在鈦合金的實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用中，經(jīng)常遇到的是非平衡狀態(tài)下的組織。因此，普遍按照亞穩(wěn)態(tài)下的相組織和β穩(wěn)定元素的含量對(duì)鈦合金進(jìn)行分類，可將鈦合金分為α型、α+β型和β型三大類，進(jìn)一步可細(xì)分為近α型和亞穩(wěn)定β型鈦合金。我國鈦合金牌號(hào)分別問TA、TB和TC開頭，表示α鈦合金，β鈦合金和α+β鈦合金，所研究的TA19鈦合金就屬于近α鈦合金。 由于鈦合金中β相的數(shù)量以及穩(wěn)定程度與β穩(wěn)定元素的種類及含量有著直接關(guān)系，為了衡量鈦合金中β相的穩(wěn)定程度或β穩(wěn)定元素

28、的作用，提出了按照β穩(wěn)定系數(shù)來對(duì)鈦合金進(jìn)行分類。β穩(wěn)定系數(shù)是指合金中各β穩(wěn)定元素濃度與各自的臨街濃度的比值之和。 根據(jù)β相穩(wěn)定系數(shù)劃分的合金類型為：α型鈦合金的Kβ為0到0.07，近α合金的Kβ為0.07到0.25，α+β型合金的Kβ為0.25到1.0，近β型鈦合金的Kβ為1.0到2.8，β型鈦合金的Kβ則大于2.8。 （1） α型鈦合金 工業(yè)純鈦和α鈦合金可以化為單獨(dú)一類合金，因?yàn)楣I(yè)純鈦中的雜質(zhì)含量處在α相的溶解度范圍內(nèi)。無論國內(nèi)還是國外，首批工業(yè)用鈦合金都是專門合金化的α鈦合金。它們的特點(diǎn)是：高熱穩(wěn)定性，好的焊接性，對(duì)熱處理強(qiáng)化不敏感，在合適的塑性條件下有中等強(qiáng)度。一般屬于

29、α鈦合金的有：TA4、TA5、TA6、TA7。 （2）近α型鈦合金 近α鈦合金的β穩(wěn)定系數(shù)在0.07到0.25之間，其是由α固溶體與少量β相（2%到8%）組成的，保留有α合金和α+β合金的許多優(yōu)點(diǎn)。這種合金的焊接方法很多，而且不需要對(duì)焊接接頭進(jìn)行熱處理來穩(wěn)定其組織。該型合金實(shí)際上對(duì)強(qiáng)化熱處理不敏感。由于在合金組織中有β相存在，在熱態(tài)和冷態(tài)下均有使人滿意的接近α+β的塑性。與α合金相比，在相同塑性條件下，近α合金的強(qiáng)度要高出10%到20%。這可用形成α相合β相兩相混合組織是顯微晶粒細(xì)化和晶內(nèi)組織非均質(zhì)化來解釋。近α合金在高溫下（500到600攝氏度）的瞬時(shí)強(qiáng)度與室溫瞬時(shí)強(qiáng)度成比例，并且

30、隨著溫度的升高而降低。 （3）α+β型鈦合金 該種合金以α和β固溶體為基的一大組鈦合金，屬于馬氏體型鈦合金。這類合金的穩(wěn)定狀態(tài)下含有5%到25%的β相，從β區(qū)急劇冷卻時(shí)，產(chǎn)生的α’或α’’相的馬氏體組織。其Kβ在0.25到1之間。這種鈦合金的共同點(diǎn)是在退火狀態(tài)下強(qiáng)度與塑性有良好的配合。它們或多或少可進(jìn)行強(qiáng)化熱處理，其效果隨著Kβ的增加而增加。其中TC1、TC2、TC3、TC4、TC6、TC9、TC10都屬于α+β型鈦合金。 （4）近β型鈦合金 這一類合金是以β固溶體為基并以β穩(wěn)定元素高合金化的鈦合金，它在β穩(wěn)定狀態(tài)下的組織為β相或少量的α相。由于β相具有相當(dāng)高的穩(wěn)定

31、性，這些合金（150到200毫米的大型截面）在高于α+β/β轉(zhuǎn)變溫度退火并在空氣中冷卻后，其組織僅為β固溶體。近β合金通過淬火和時(shí)效而進(jìn)行的強(qiáng)化不想β型合金那樣有效，但是在淬火和時(shí)效后，其強(qiáng)度可以達(dá)到1400到1600MPa，同時(shí)具有令人滿意的蘇醒特征。該型合金淬火時(shí)效時(shí)的強(qiáng)化效應(yīng)較小是由于時(shí)效時(shí)析出的α相量較臨界成分合金的少的緣故。 （5）穩(wěn)定的β鈦合金 具有穩(wěn)定的β組織的合金由于不具備勝過其他合金的、在生產(chǎn)上合算的優(yōu)點(diǎn)，，未獲得廣泛的工業(yè)應(yīng)用。這種合金的特點(diǎn)是比重大，不能進(jìn)行強(qiáng)化熱處理。又由于鉬、釩等合金元素的含量高，一般極其昂貴。TB2鈦合金就是β型鈦合金，其成分含有M

32、o（4.7到5.5）、V（4.7到5.5）、Cr（7.5到8.5）等 1.3.2鈦合金的熱學(xué)、力學(xué)性能 鈦合金的物理性質(zhì)：密度ρ=4.5g/cm3，熔點(diǎn)為1678℃，導(dǎo)熱系數(shù)λ=15.25W/(mK)，抗拉強(qiáng)度σb=538MPa，伸長率δ=24％，斷面收縮率ψ=24％，彈性模量E=1.08105MPa。其線膨脹系數(shù)，熱導(dǎo)率和比熱容如表1.3.1，1.3.2和1.3.3所示。 表1.3.1 TA19鈦合金線脹系數(shù) θ/℃ 20-100 20-200 20-300 20-400 20-500 20-600 α/10-6K-1 8.7 8.6 9.5

33、9.7 9.9 10.0 表1.3.2 TA19鈦合金熱導(dǎo)率 θ/℃ 20 100 200 300 400 500 600 λ/Wm-1K-1 6.8 7.4 8.6 9.7 10.9 12.1 13.2 表1.3.3 TA19鈦合金比熱容 θ/℃ 20 100 200 300 400 500 600 c/Jkg-1K-1 528 539 557 574 590 608 626 鈦合金還具有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）比強(qiáng)度高：鈦合金的密度為4.5g/cm3左右，約為鋼鐵的六成左右，而純鈦的強(qiáng)度就和普通鋼鐵較為接近

34、，一個(gè)鈦合金的強(qiáng)度則遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了鋼鐵。所以鈦合金的比強(qiáng)度很高，較鋼鐵有著很大的優(yōu)勢(shì)，可以制造質(zhì)量輕卻強(qiáng)度要求較高的結(jié)構(gòu)件等。目前航空航天所用的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件、蒙皮、緊固件及起落架等大量采用鈦合金的材料。其硬度如下表所示。 表1.3.4 鈦合金硬度 品種 δ/mm 狀態(tài) HB 棒材 9090 雙重退火 309 環(huán)形鑄件 — 600℃，2h，空冷 300 800℃，2h，空冷 295 熱等靜壓＋800℃，2h，空冷 289 (2)熱強(qiáng)度高：其可正常工作的溫度比鋁多幾百度，可在500℃左右的溫度下長期工作。而鋁合金在150℃左右時(shí)強(qiáng)度顯著下降。所以相比鋁合金，

35、鈦合金的熱強(qiáng)度更高，更具有使用價(jià)值。 (3) 抗蝕性好：鈦合金在腐蝕環(huán)境中工作，其抗蝕性遠(yuǎn)優(yōu)于不銹鋼。對(duì)點(diǎn)蝕、海水腐蝕和應(yīng)力腐蝕的抗腐蝕性能特別好。對(duì)堿、氯化物、氯的有機(jī)物品、硝酸、硫酸等有優(yōu)良的抗腐蝕能力。但鈦對(duì)具有還原性氧及鉻鹽介質(zhì)的抗蝕性差。 (4)低溫性能好：鈦合金在低溫和超低溫下，仍能保持其力學(xué)性能。低溫性能好,間隙元素極低的鈦合金,如TA7,在-253℃下還能保持一定的塑性。因此，鈦合金也是一種重要的低溫結(jié)構(gòu)材料。 (5)導(dǎo)熱系數(shù)小、彈性模量小：鈦的導(dǎo)熱系數(shù)λ=15.25W/（mK）約為鎳的四分之一，鐵的五分之一，鋁的十四分之一，而各種鈦合金相比工業(yè)純鈦，其導(dǎo)熱系數(shù)下降了接近

36、50%。鈦合金的彈性模量僅僅是鋼的二分之一，所以鈦合金的剛性差，容易產(chǎn)生變形，不宜制作細(xì)長桿和薄壁件。切削時(shí)切割面的回彈量很大，約為不銹鋼的兩倍到三倍，故易產(chǎn)生對(duì)刀具的磨損、粘連。 1.3.3鈦合金的化學(xué)性能 鈦的化學(xué)性質(zhì)較活潑，與大氣中氫、氧、氮、一氧化碳、二氧化碳等發(fā)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)含碳量超過0.2％時(shí)，會(huì)產(chǎn)生硬質(zhì)TiC。溫度較高時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生TiN硬質(zhì)表層。當(dāng)溫度高于600攝氏度時(shí)，鈦會(huì)與氧發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生硬化層。當(dāng)氫的含量超過某一數(shù)值，也會(huì)形成脆化層。與氣體發(fā)生反應(yīng)，所產(chǎn)生的硬化層，其厚度可達(dá)0.1到0.15毫米。 1.4 TA19微觀組織的研究現(xiàn)狀 TA19鈦合金的化

37、學(xué)成分如下表所示： 表1.3.5 TA19的化學(xué)成分 牌號(hào) 合金元素 雜志 不大于 Al Sn Zr Mo Ti Si Fe C N H O 其他元素 TA19 5.5-6.5 1.8-2.2 3.6-4.4 1.8-2.2 余量 0.13 0.25 0.05 0.05 0.0125 0.15 0.30 在鈦合金的眾多合金元素中，有α穩(wěn)定元素，它包括鋁、鎵、鍺、硼以及雜質(zhì)元素氧、氮、碳等。這些元素可以擴(kuò)大α相區(qū)，提高β的轉(zhuǎn)化溫度，同時(shí)增加了α相的穩(wěn)定性。 還有同晶型β穩(wěn)定元素，主要包括鉬、釩、鈮等元素，其中鉬的強(qiáng)化作用最明顯，

38、可以提高室溫和高溫的強(qiáng)度，增加淬透性，并提高含鉻和鐵合金的熱穩(wěn)定作用。同晶型β穩(wěn)定元素可以擴(kuò)大β相區(qū)，增大β相穩(wěn)定性。 共析型β穩(wěn)定元素可以擴(kuò)大β相區(qū)，且會(huì)引起共析轉(zhuǎn)變的元素。這類元素的范圍較廣，切共析反應(yīng)速度相差懸殊。其中鉻、錳、鐵等元素與鈦的共析反應(yīng)溫度較低，轉(zhuǎn)變速度極慢，在一般熱處理?xiàng)l件下轉(zhuǎn)變難以進(jìn)行，故稱非活性共析型元素。 中性元素包括鋯、錫等。鋯和鈦的性質(zhì)相似，原子尺寸也十分接近，能在α相合β相中無限固溶。鋯的室溫強(qiáng)化作用弱，但高溫強(qiáng)化作用強(qiáng)，通常用于熱強(qiáng)鈦合金。錫的室溫強(qiáng)化作用更弱，會(huì)發(fā)生共析反應(yīng)，但能提高熱強(qiáng)性。 鈦合金有多種顯微組織，不同的組織有不同的力學(xué)性能?；瘜W(xué)成分的

39、不同、熱處理的方法、鍛造手法不同都可以影響鈦合金的顯微組織的性能。不同熱處理方法和工藝，會(huì)影響鈦合金中兩相的形態(tài)。鈦合金的力學(xué)性能很大程度上取決于兩個(gè)相的比例、形態(tài)、尺寸和分布。鈦合金的組織類型基本可以分為四大類：等軸組織、網(wǎng)籃組織、雙態(tài)組織、魏氏組織，同種材料不同顯微組織形態(tài)的鈦合金組織形成方式及其性能存在一定程度上的差異。 等軸組織：等軸組織的特點(diǎn)是在均勻分布的含量超過50%的初生α相基體上，分布著一定數(shù)量的轉(zhuǎn)變?chǔ)陆M織，如圖1.4.1（a）。鈦合金的變形加工和熱處理全部在α+β雙相區(qū)或α相區(qū)內(nèi)進(jìn)行，且加熱溫度低于β轉(zhuǎn)變溫度較多時(shí)，一般可以獲得等軸組織。同其他組織相比，這類組織的塑性、疲勞

40、強(qiáng)度、抗缺口敏感性、和熱穩(wěn)定性好，但斷裂韌性、持久、蠕變強(qiáng)度差一些。由于這類組織有較好的綜合性能，目前采用最廣泛。 網(wǎng)籃組織：其特點(diǎn)是原始β晶粒邊界在變形過程中被破壞，不出現(xiàn)或僅出現(xiàn)少量分散分布的顆粒狀晶界α，原始β晶粒內(nèi)的α片變短，α集束尺寸較小，各片叢交錯(cuò)排列，猶如編制的網(wǎng)籃狀，如圖1.4.1（b）所示。當(dāng)合金在β相去加熱或開始變形，或者在α+β雙相區(qū)的變形量不夠大時(shí)一般會(huì)形成這種組織。細(xì)小的網(wǎng)籃組織不僅有較好的塑性、沖擊韌性、斷裂韌性和高疲勞強(qiáng)度，還有較好的熱強(qiáng)性。 圖1.4.1（a）為等軸組織，圖1.4.1（b）為網(wǎng)籃組織 雙態(tài)組織：雙態(tài)組織的特點(diǎn)是在β轉(zhuǎn)變組織的基體上分

41、布有互不相連的初生α，但總量不超過50%，如圖1.4.1（c）所示。當(dāng)鈦合金熱變性或熱處理的加熱溫度低于β轉(zhuǎn)變溫度較少時(shí)，一般可以獲得雙態(tài)組織。雙態(tài)組織指組織中的α相有兩種形態(tài)，一種為等軸狀的初生α相；另一種是β轉(zhuǎn)變組織中的片狀α相，與初生α相對(duì)應(yīng)，這種片狀α亦稱作次生α相或者二次α相。當(dāng)合金在α+β雙相區(qū)較高溫度和較大變形時(shí)會(huì)形成這種組織。 魏氏組織：其特點(diǎn)是粗大的原始β晶粒和完整的晶界α相，在原始β晶粒內(nèi)形成尺寸較大的“集束”，同一“集束”內(nèi)有較多的α片彼此平行，成同一取向，如圖1.4.1（d）所示。這種顯微組織是合金在β相去加熱后未變形或變形量不大的情況下，較慢地從β相區(qū)冷卻下來形成的

42、組織。當(dāng)合金具有這種組織時(shí)，其斷裂韌性、持久和蠕變強(qiáng)度好，但塑性、疲勞強(qiáng)度、抗缺口敏感性、熱穩(wěn)定性和抗熱應(yīng)力腐蝕性很差，它們隨α“集束”的大小和晶界α的厚度而異，α“集束”變小，晶界變薄，綜合性能好轉(zhuǎn)。 圖1.4.1（c）為雙態(tài)組織，圖1.4.1（d）為魏氏組織 1.5 本文主要研究內(nèi)容及目的 TA19鈦合金性能優(yōu)越，從20世紀(jì)50年代以來持續(xù)發(fā)展，被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域。鈦合金主要用于制作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部件，其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件。我國現(xiàn)在大力發(fā)展航空航天工業(yè)，TA19被合金大量應(yīng)用于導(dǎo)彈、衛(wèi)星、發(fā)動(dòng)機(jī)等重要戰(zhàn)略工業(yè)產(chǎn)品中。我國自主研發(fā)的東風(fēng)導(dǎo)彈也同樣應(yīng)用鈦合金，

43、所以研究鈦合金，對(duì)國家發(fā)展、國家安全有很大意義。在焊接產(chǎn)品的過程中，研究鈦合金的微觀形態(tài)有助于了解合金變化過程，調(diào)整工藝，制造比強(qiáng)度更高，缺陷更少，塑性更好的鈦合金，因此本文希望通過研究TA19合金在焊接過程中的重結(jié)晶行為，尋找出降低缺陷的方法，降低TA19鈦合金在兩塊金屬板焊接過程中的缺陷，提升力學(xué)，熱學(xué)性能，最終提高產(chǎn)品的可靠度與性能。 第二章 實(shí)驗(yàn)條件與方法 上世紀(jì)50年代，美國成功研制了第一個(gè)高溫鈦合金，從此人們開始熱衷研究高溫鈦合金，后來有很多的高溫鈦合金都是發(fā)展于此，300到350攝氏度之間是該合金可以接受的正常工作范圍，由于其同時(shí)具α相特征和β相的特征，因此其性能優(yōu)良

44、而得到廣泛的應(yīng)用。在過去60年里，鈦合金的焊接方法得到極大的發(fā)展，常見的焊接方法已經(jīng)在緒論中提到]。而此次試驗(yàn)擬用閃光焊的方法對(duì)TA19進(jìn)行焊接，并觀察期焊接過程中和焊接過后固溶時(shí)效的硬度變化和微觀組織變化 2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用的是Automation international, inc. F9型的閃光焊接機(jī)器，焊接參數(shù)是由試樣的不同而決定的。在焊接過程中，兩個(gè)試樣的各一段加以電壓，并將兩個(gè)試樣緩慢靠近，當(dāng)接觸時(shí)，兩個(gè)試樣由于有很多突起，故會(huì)在突起部分通過電流，并產(chǎn)生焦耳熱。試樣持續(xù)受壓，將過燒融化的部分?jǐn)D在一邊，由此形成了焊疤。這個(gè)壓力就是頂鍛力，而最終兩個(gè)試樣緊密的被焊接在

45、了一起。 本次實(shí)驗(yàn)還使用了升溫爐，其常用于高等院校及科研部門。該爐具有使用溫度高、高精度控溫、操作簡單、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于冶金、機(jī)械、輕工、商檢、高等院校及科研部門。本次實(shí)驗(yàn)在焊接后對(duì)試樣進(jìn)行的固溶和時(shí)效使用的就是該升溫爐。 本次實(shí)驗(yàn)還使用了萊卡的 DMI5000M光學(xué)電子顯微鏡，其又稱金相顯微鏡，其主要由載物臺(tái)、聚光照明系統(tǒng)、物鏡、目鏡和調(diào)教系統(tǒng)組成。其成像原理為入射垂直或者近似垂直的光線照射在試樣表面，利用表面反光進(jìn)入物鏡成像，造成相襯的主要原因是試樣表面對(duì)光線的反射能力的不同，所以光學(xué)顯微鏡的試樣必須進(jìn)行腐蝕。析出物等由于抗腐蝕能力的不同造成反射能力的不同，從而顯示相應(yīng)的形貌

46、。合金中晶粒、晶界、在鈦合金中，光學(xué)顯微鏡主要用于以下三方面的判定：（1）合金組織形態(tài)；（2）晶粒大??；（3）析出物量的多少及比較。 本次實(shí)驗(yàn)還使用了金相鑲嵌機(jī)，它是鑲嵌機(jī)的一種，可以將形狀不規(guī)則或者持握不方便的金相試樣鑲嵌在酚醛塑料粉（黑色）中，以便對(duì)試樣進(jìn)行打磨拋光試樣。制備過程中的其壓力由彈簧自動(dòng)補(bǔ)充、壓力的指示數(shù)值由顯示屏提示，在鑲樣過程中，壓力要一直保持在一定數(shù)值以上。 本次實(shí)驗(yàn)還使用了HVS-1000顯微硬度計(jì)，HVS-1000顯微硬度計(jì)適用于測(cè)定微小、薄形試件、表面滲鍍層等試件的顯微硬度和測(cè)定玻璃、陶瓷、瑪瑙、寶石等脆性材料的顯微硬度，是科研機(jī)構(gòu)、工廠及質(zhì)監(jiān)部門進(jìn)行材

47、料研究和檢測(cè)的理想硬度測(cè)試儀器。適用范圍：熱處理、碳化、淬火硬化層，表面覆層，鋼，有色金屬和微小及薄形零件等。 本次實(shí)驗(yàn)還使用了氫氟酸、鹽酸和硝酸等配置的腐蝕液，以便對(duì)金相試樣拋光后，進(jìn)行腐蝕，觀察金相以及測(cè)試硬度等實(shí)驗(yàn)。 2.2實(shí)驗(yàn)材料 本次實(shí)驗(yàn)使用的TA19合金，是為了滿足對(duì)于高溫性能得到改善的鈦合金的需求，特別是滿足對(duì)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)使用的需要而研制的。它是一種“超α”型合金，其特點(diǎn)是在約1000℉的溫度以下強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好。轉(zhuǎn)子類和優(yōu)質(zhì)類的TA19合金與標(biāo)準(zhǔn)類的一樣，適用于鍛坯、棒材、薄板和厚板。其密度為0.164磅/立方英寸。 在TA19合金的成分中，6％

48、的鋁添加劑是一種有效的阿爾法穩(wěn)定元素，2％的鉬添加劑僅是中等含量的強(qiáng)β穩(wěn)定元素，而錫和鋯添加劑是固溶強(qiáng)化元素，對(duì)相的穩(wěn)定作用來說是中性的。這些合金元素的最終綜合作用是產(chǎn)生一種弱β穩(wěn)定的α-β合金。由于該合金是弱β穩(wěn)定和金，所以嚴(yán)格來說，也可稱為近α型的α-β合金，這個(gè)名稱往往可以縮寫的形式簡稱為“近α”。 2.2.1實(shí)驗(yàn)材料物理參數(shù) 本次實(shí)驗(yàn)使用的TA19尺寸為3350毫米，將兩塊試樣使用閃光焊進(jìn)行焊接，焊接后使用切割機(jī)將多余部分進(jìn)行切割，只得到焊縫周圍的一部分，其切割后的試樣尺寸為335毫米，再將其平均切成3塊，尺寸分別為118毫米。焊縫沿著11mm的長邊位于式樣中間。 2.2

49、.2 Ti6242組織與性能 TA19作為航空航天專用的結(jié)構(gòu)和功能材料，其擁有著自己特殊的組織和性能。下圖為其基體組織的照片，由圖片可以看出，其基體組織是等軸組織，是典型的近α合金，由α固溶體和少量的β相（2--8%）組成，保留有α合金和α＋β合金的許多優(yōu)點(diǎn)。 圖2.21 TA19基體組織照片 這種合金不需要對(duì)焊接接頭進(jìn)行熱處理來穩(wěn)定其組織。該型合金其實(shí)對(duì)強(qiáng)化熱處理并不敏感。由于在合金組織中有β相存在，在熱態(tài)和冷態(tài)下均有使人滿意的接近α＋β合金的塑性。同時(shí)指出，與α合金相比，在相同塑性條件下，其強(qiáng)度要高出10％到20％。這可以用形成α相和β相兩

50、相混合組織時(shí)顯微晶粒細(xì)化和晶內(nèi)組織非均質(zhì)化來解釋。 其拉伸性能如下表所示。 表2.2.1 TA19拉伸性能 品種 D/mm 狀態(tài) 取樣方向 θ/℃ σb σp0.2 σpo.o1 δ ψ MPa % 棒材 12 雙重退火 L 20 1100 1015 912 18.0 45.0 100 1025 920 729 14.0 48.0 200 933 807 647 16.0 50.0 300 875 720 620 15.0 5

51、4.0 400 825 654 549 15.0 57.0 500 797 629 515 17.0 64.0 9090 20 1056 998 — 15.0 36.0 480 739 583 — 19.0 51.0 2.3實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì) 這次實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路是針對(duì)TA19閃光焊過程中，觀察焊接接頭組織的轉(zhuǎn)變，及性能的關(guān)系，對(duì)焊接過程中，兩個(gè)試樣通電后在接口處產(chǎn)生的焦耳熱（即焊接循環(huán)熱）對(duì)焊縫周圍的組織及性能的影響，以及頂鍛力對(duì)焊縫周圍的熱影響區(qū)、雙重影響區(qū)等區(qū)域的組織和性能的影響，通過對(duì)試樣1的金相顯微鏡觀察對(duì)比焊接后未處理的組織特

52、點(diǎn)，再對(duì)試樣2進(jìn)行固溶處理，進(jìn)行金相觀察以及硬度測(cè)試，再對(duì)試樣3進(jìn)行固溶時(shí)效處理，進(jìn)行盡享觀察以及硬度測(cè)試，最后得出閃光焊對(duì)試樣焊接的各個(gè)區(qū)域的性能影響，以及固溶時(shí)效后，焊縫周圍性能的變化，以求降低焊接的不良影響，提升焊縫周圍的拉伸性能等。 實(shí)驗(yàn)具體流程如下： （1） 使用Automation international, inc. F9型的閃光焊接機(jī)器將兩塊33毫米寬，50毫米長的試樣焊接在一起。 （2） 使用切割機(jī)，沿著焊縫周圍進(jìn)行切割，只保留焊縫周圍部分，得到一338mm的試樣。 （3） 對(duì)試樣垂直于焊縫進(jìn)行等長度切割，得到三個(gè)118mm的試樣，分別記為試樣1，試樣2，試樣3。

53、 （4） 對(duì)試樣二、試樣三進(jìn)行固溶處理，具體操作如下： 1）先將升溫爐預(yù)熱，將目標(biāo)溫度調(diào)整到200攝氏度，并每隔兩小時(shí)加一次 溫度。 2）當(dāng)溫度升到400攝氏度后，每隔一個(gè)半小時(shí)調(diào)整一次溫度，直至將爐溫生到980攝氏度。 3）打開爐門，將試樣2、試樣3放置到升溫爐內(nèi)，并保溫一個(gè)半小時(shí)。 4）一個(gè)半小時(shí)后，將試樣快速去除，并扔到水中淬火。 5）關(guān)緊爐門，并關(guān)掉電源。 （5） 對(duì)試樣三進(jìn)行時(shí)效處理，具體操作如下： 1）先將升溫爐預(yù)熱，將目標(biāo)溫度調(diào)整到200攝氏度，并每隔兩小時(shí)加一次 溫度。 2）當(dāng)溫

54、度升到400攝氏度后，每隔一個(gè)半小時(shí)調(diào)整一次溫度，直至將爐溫生到590攝氏度。 3）打開爐門，試樣3放置到升溫爐內(nèi)，并保溫八小時(shí)。 4）八小時(shí)后，將試樣快速取出，并空冷。 5）關(guān)緊爐門，并關(guān)掉電源。 （6） 對(duì)試樣一、試樣二、試樣三進(jìn)行鑲樣處理 （7） 對(duì)試樣一、試樣二、試樣三進(jìn)行砂紙磨樣和拋光處理 （8） 對(duì)試樣一、試樣二、試樣三拍金相，打硬度處理，并得到金相照片，觀察金相組織，得到閃光焊焊縫周圍的組織樣片，由此可知頂鍛力、焊接循環(huán)熱對(duì)鈦合金再結(jié)晶的影響，并可以依據(jù)金相組織推測(cè)其焊縫周圍的斷裂韌性、拉伸性能等；對(duì)固溶后的金相組織觀察其組織形

55、態(tài)，總結(jié)再結(jié)晶行為規(guī)律，通過硬度測(cè)試，對(duì)固溶后試樣的性能有了解和解讀，對(duì)性能改善做總結(jié)；對(duì)時(shí)效過后的金相組織觀察其組織形態(tài)，總結(jié)再結(jié)晶行為規(guī)律，通過硬度測(cè)試，對(duì)時(shí)效后試樣的性能有了解和解讀，對(duì)性能改善做總結(jié)。 第三章 TA19焊接接頭的再結(jié)晶行為研究 TA19可使用的焊接方法很多，其熱敏感性較低，基本不受限制。但是本實(shí)驗(yàn)采用的閃光焊在應(yīng)用中比重較大，效果也較好，故研究閃光焊對(duì)TA19的影響實(shí)際意義更多。閃光焊效能好、焊接質(zhì)量好，對(duì)焊接面的形狀還沒有要求。本章將針對(duì)閃光焊后，未經(jīng)過固溶時(shí)效處理的焊縫進(jìn)行研究，得出焊縫周圍的再結(jié)晶行為與閃光焊接的關(guān)系及其對(duì)力學(xué)性能的影響。 3.1、TA1

56、9焊縫周圍組織及再結(jié)晶行為 未焊接的TA19基體組織是等軸組織，與其他組織相比來看，等軸組織的塑性、抗缺口敏感度要好一些。但是其斷裂韌性較差，蠕變強(qiáng)度也較差。其抗拉強(qiáng)度介于1027MPa到 1053MPa之間，屈服強(qiáng)度959MPa左右。其抗拉強(qiáng)度隨著測(cè)試點(diǎn)的不同而不同，但相差不大。但是綜合來看其性能較好，應(yīng)用也最廣泛。如圖3.1.1（a）所示，下圖則是經(jīng)過閃光焊接的TA19的焊縫周圍組織，放大倍數(shù)為200倍。從圖的中央可以明顯看到有一條由上到下的白色焊縫。將金相顯微鏡向左調(diào)整約1mm，放大倍數(shù)調(diào)整到500倍，得到圖3.1.1（b）可以看到焊縫周圍 （a）

57、 （b） 圖3.1.1 TA19閃光焊接接頭組織的微觀結(jié)構(gòu) 的組織是典型的魏氏組織。在該金相照片里，可以看到較完整的白色α相晶粒，在黑色的β相“集束”內(nèi)，有許多次生的片狀α相間其中，并且與β相平行。不同的晶粒之間取向不同，而β相的“集束”內(nèi)，兩相取向相同。這表明，在閃光焊接的過程中，處于距離焊縫最近的熱影響區(qū)（距離焊縫約0.2到 1.5mm）受到頂鍛力和焊接循環(huán)熱的作用，基體由等軸組織，再結(jié)晶形成了魏氏組織，使得理論上塑性降低，強(qiáng)度增加。 如圖3.1.2（a）至3.1.2（f），為TA19合金逐漸向左移動(dòng)的金相照片，每次距離約為0.5mm。

58、 （a） （b） （c） （d） （e） （f） 圖3.1.1 TA19閃光焊接接頭組織的微觀結(jié) 圖3.1.1（a）距離焊縫較近，約為1mm左右，在這個(gè)距離上，基體組織受到的焊接循環(huán)熱還較大，故溫度較高。為了將過燒的液態(tài)鈦擠出，距離接頭較近的基體組織受到擠壓，故形成了魏氏組織。而當(dāng)距離焊縫1.5mm時(shí)，金相組織如圖3.1.2

59、（a）所示，這個(gè)位置處于雙重影響區(qū)與應(yīng)力影響區(qū)的交界處，這個(gè)部分的組織受到的焊接循環(huán)熱已經(jīng)較小，但是頂鍛力的擠壓作用仍然較大，故這部分基體并未完全轉(zhuǎn)變?yōu)槲菏辖M織，但已大體完成了轉(zhuǎn)變，只是在“集束”的邊界處仍然存在著取向傾斜，并大體互相平行的α相，且該α相與“集束”的邊界并不明顯。圖3.1.2（b）距離焊縫約2mm，處于應(yīng)力影響區(qū)，該區(qū)域的焊接循環(huán)熱已經(jīng)影響很小，幾乎只受到頂鍛力的作用，且相比圖3.1.2（a）的力要小很多，所以這個(gè)組織中，球化的α相的邊界已經(jīng)較明顯，且較粗大。β的“集束”已經(jīng)少很多，可以看見沒有片層α的等軸組織的β相存在。且α相較前一階段，偏移更加明顯。圖3.1.2（c）和圖3

60、.1.2（d）分別距離焊縫2.5mm、3mm，仍然處在應(yīng)力影響區(qū)內(nèi)，以及應(yīng)力影響區(qū)和微影響區(qū)的交界處，由于頂鍛力的減小，橫向比較3.1.2（b）、3.1.2（c）和3.1.2（d）三張圖，α相逐漸朝著X軸偏轉(zhuǎn)。由此我們可以分析，是頂鍛力的作用，將等軸組織的球狀或六邊形的α相，擠壓成片狀，并隨著距離焊縫越近，頂鍛力的影響作用越強(qiáng)，球狀α相被擠壓的越“扁”，這種片層α相向Y軸偏移的程度也越大。隨著距離焊縫的距離越近，等軸組織中黑色的β相內(nèi)，也生成密度較β相更大的片層狀α，這是由于α相的密排六方結(jié)構(gòu)的致密度相比體心立方的β相的致密度更高，空間利用率更高，使得在焊接循環(huán)熱影響不劇烈的應(yīng)力影響區(qū)形成較多

61、α相。圖3.1.2（e）、3.1.2（f）分別距離焊縫3.5mm、4mm左右，處于微影響區(qū)，不論是循環(huán)熱還是頂鍛力的作用都微乎其微，故這兩張圖片中3.1.2（e）僅僅是α相還略有一些偏轉(zhuǎn)，而3.1.2（f）則是完全的等軸基體組織了。 而將焊縫與基體比較，其室溫的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度與母材都很相似。從試樣的拉伸測(cè)試來看，其斷裂的位置距離焊縫較遠(yuǎn)，位于TA19的基體上。這說明焊縫及其周圍組織的強(qiáng)度要高于基體組織。這是因?yàn)?，在閃光焊的過程中，焊接循環(huán)熱使焊縫周圍的溫度升高，在焊縫的周圍2mm以內(nèi)形成了魏氏組織或“準(zhǔn)魏氏組織”，其強(qiáng)度要高于基體的等軸組織。另一方面來看，頂鍛力使得兩個(gè)試樣發(fā)生了

62、加工硬化，也強(qiáng)化了焊縫周圍的組織。 3.2、TA19固溶時(shí)效后對(duì)硬度的影響 3.2.1 TA19焊縫周圍組織的硬度變化 表3-2為經(jīng)過閃光焊后，未作處理的焊縫各處的硬度。每隔0.5mm打一次硬度，焊縫位置位于試樣中間。 表3-2為距離焊縫不同位置處的平均硬度 與焊縫距離（mm） 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 4 基體 平均硬度（HV） 351 345 350 360 381 357 347 352 360 由表3-2可以看到，隨著距離焊縫位置的遠(yuǎn)離，其硬度呈先增大后減小的形式，并在距離焊縫約2mm左右，硬度達(dá)到了峰值381GP

63、a。這是由于越靠近焊縫，其焊接循環(huán)熱的熱影響就越大，頂鍛力影響也越大，使得魏氏組織的晶粒長大的較為充分，導(dǎo)致硬度較2mm處晶粒相對(duì)細(xì)小的轉(zhuǎn)變組織硬度稍差。同時(shí)，在距離焊縫2mm處，由于在等軸組織上的α相被擠壓，晶界較明顯，可以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，新形成的β“集束”較多，且均勻分布在等軸組織內(nèi)，同樣起到了阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用，故此處的硬度較大。同樣另一方面，此處是應(yīng)力影響區(qū)，焊接循環(huán)熱的降低使得晶粒沒有雙影響區(qū)的晶粒粗大，同時(shí)頂鍛力還對(duì)組織起到了一定的加工硬化作用，使得晶粒硬度較高。本身魏氏組織和基體的硬度差別并不大，隨著遠(yuǎn)離2mm的位置，左邊的魏氏組織逐漸完成再結(jié)晶，等軸的α相消失；而向右看，頂鍛力的

64、作用越來越小，對(duì)轉(zhuǎn)變組織的加工硬化逐漸消失，微觀組織也逐漸回到了基體組織，所以硬度較2mm處要低。 3.2.2固溶時(shí)效對(duì)焊縫組織的再結(jié)晶及硬度影響 圖3.2.1 固溶時(shí)效后焊縫周圍的微觀組織 從圖3.1.2可以看出，經(jīng)過固溶時(shí)效處理的焊縫組織，已經(jīng)從魏氏組織轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)籃組織。本次實(shí)驗(yàn)的固溶溫度為980攝氏度，而采用差熱法測(cè)定的β轉(zhuǎn)變溫度為991攝氏度，并未達(dá)到相變點(diǎn)，但是由于焊接時(shí)頂鍛力的影響，焊縫周圍存在著內(nèi)應(yīng)力并未消除，降低了相變點(diǎn)，使得一部分α轉(zhuǎn)變成了β。同時(shí)固溶時(shí)內(nèi)應(yīng)力的作用，使得β“集束”內(nèi)的α和β相的取向自由化。在時(shí)效過程中，8小時(shí)的保溫時(shí)間，使

65、得組織可以充分變形，最終編織成了網(wǎng)籃組織。同時(shí)，在時(shí)效過程中，馬氏體分解出顆粒狀的β相，使得塑性降低強(qiáng)度增加。 表3-3 固溶時(shí)效后焊縫周圍組織的平均硬度 與焊縫距離（mm） 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 4 平均硬度（HV） 452 455 480 472 471 468 458 459 表3-3是焊縫組織經(jīng)過固溶時(shí)效后，各個(gè)位置的平均硬度，從表格可以看出，經(jīng)過固溶時(shí)效處理后，得到組織的平均硬度，相比基體和魏氏組織都有明顯的提高，整體平均硬度達(dá)到了464GPa。在1mm到2mm處，硬度相比其他位置更高一些，從表

66、3-2看出這部分的并未完全轉(zhuǎn)變的魏氏組織的硬度也較高。這是由于固溶處理使得鈦合金中的強(qiáng)化相得到充分彌散，同時(shí)顆粒狀的β相平均分布在網(wǎng)籃組織的各個(gè)位置，用于釘扎位錯(cuò)，防止晶體滑移。而網(wǎng)籃組織的α和β相的取向交錯(cuò)復(fù)雜，晶界明顯，也阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。β晶粒內(nèi)，α片相比魏氏組織有著明顯變短，同時(shí)在α+β雙相區(qū)內(nèi)，晶?；ハ鄶D壓，交錯(cuò)存在，故其硬度較高，實(shí)用效果較好。 第四章 實(shí)驗(yàn)總結(jié) 本次實(shí)驗(yàn)使用閃光焊的方法，對(duì)TA19材料進(jìn)行焊接處理。焊接后對(duì)未處理的焊縫組織進(jìn)行金相拍照，得到焊縫周圍雙重影響區(qū)、應(yīng)力影響區(qū)和微影響區(qū)的組織形態(tài)，并對(duì)基體轉(zhuǎn)化成魏氏組織進(jìn)行分析。同時(shí)對(duì)焊縫進(jìn)行固溶時(shí)效處理，固溶時(shí)效過后的組織及硬度變化，得到結(jié)果如下： 1、焊接接頭部分將過燒區(qū)域去掉，得到的組織是魏氏組織，并在距離焊縫1.5mm內(nèi)左右都存在這種組織。這種組織的塑性較差、斷裂韌性差，但是強(qiáng)度較好。隨著距離焊縫越來越遠(yuǎn)，α相的球化越來越明顯，但是受到頂鍛力的影響，α相取向傾斜且互相平行。并最終在焊縫4mm以外的微影響區(qū)域看到了基體組織。 2、固溶時(shí)效處理后，焊縫周圍組織由魏氏組織