TC4鈦合金是一種中等強度的鈦合金,因其塑性變形能力強、耐蝕性好、比強度高、鈍化能力強以及550 ℃以下抗氧化性能好等特點,被稱為“萬能合金”[1-2],廣泛應用于航空航天、生物醫學及化學工業等領域[3-5]。然而,TC4鈦合金屈服極限高、變形抗力大和屈服強度與極限強度比值高等成為限制其塑性變形能力提高的主要原因[1]。呂鋼等[6]研究了熱 循環對TC4鈦合金在室溫和低溫條件下拉伸性能的影響,結果表明隨熱循環次數的增加,TC4 合金抗拉強度和屈服強度提高,延伸率略有升高。經500 次循環后在78 K 進行拉伸時,試樣的延伸率顯著上升且伴有拉伸應力躍升的現象。高禹等[7]研究了不同時效狀態TC4鈦合金在77~300 K 溫度區間內的拉伸性能,結果表明隨著試驗溫度的降低,拉伸斷口附近位錯分布不均勻性逐漸增大。丁嘉健等[8]研究了TC4鈦合金在20,300,600,700,800 ℃時的拉伸性能,結果表明溫度低于500 ℃時,TC4鈦合金的塑性較差,溫度高于600 ℃時,TC4 鈦合 金的塑性較好。材料的成分、組織、熱處理工藝與性能之間的關系是密不可分的,以上研究僅側重于試驗溫度對TC4鈦合金塑性的影響。

通過室溫拉伸試驗測得的R12 型TC4鈦合金棒材的強度偏低。筆者在以往研究的基礎上,通過布氏硬度分析、化學成分分析、顯微組織觀察和拉伸試驗參數影響分析,分析了R12 型TC4 合金棒材拉伸強度偏低的原因。

1、室溫拉伸性能

采用電子萬能試驗機,對R12 型TC4鈦合金棒材(記為R12-TC4)進行拉伸試驗,試驗溫度為25 ℃,試樣尺寸見圖1。參照ASTM E8/E8M-2016a Standard Test Methods for Tension Testingof Metallic Materials 的拉伸試驗方法,屈服前拉伸速度為0.005 mm/min,屈服后為8 mm/min,設置兩個平行試樣,分別記為R12-TC4-1 和R12-TC4-2,其軸向應力-應變曲線如圖2 所示。R m 為抗拉強度、R p0.2 為屈服強度、A 為斷后伸長率、Z 為斷面收縮率。

R12-TC4鈦合金的拉伸性能如表1 所示,可以看出R12-TC4-1 與R12-TC4-2 試樣的抗拉強度和屈服強度均低于標準值,而其斷后延伸率和斷面收縮率均高于SAE AMS 4928R-2007 Titanium Alloy Bars ,Wire , Forgings , and Rings , and Drawn Shapes 6Al4V Annealed 標準值,即R12-TC4-1 與R12-TC4-2 試樣的拉伸性能均不符合標準要求。

表1 R12-TC4鈦合金的拉伸性能Tab 1 Tensile properties of R12-TC4 titanium alloy 項目R m/MPa R p0.2/MPa A/% Z/%R12-TC4-1 試樣實測值908 787 17.0 45R12-TC4-2 試樣實測值918 788 17.0 42標準值931~1160 ≥862 ≥10 ≥252 試驗方法

2.1 布氏硬度檢測

由于材料硬度與抗拉強度之間存在對應關系[9-10],且特別適用于晶粒粗大的金屬材料[11-12]。因此采用HB3000C 型布氏硬度計對合金進行硬度測量,試驗方法按照GB/T 231.1-2018《金屬材料布氏硬度試驗 第一部分:試驗方法》。R12-TC4鈦合金布氏硬度通常在330 HB 左右。對直徑為10 mm 的R12-TC4鈦合金球施加29.4 kN 的試驗力,使壓頭壓入試樣表面,保持30 s 后,去除試驗力,測量試樣表面的壓痕直徑。

2.2 化學成分分析

根據ASTM E2371-2013 Standard Test MethodFor Analysis of Titanium And Titanium Alloys ByDirect Current Plasma And Inductively CoupledPlasma Atomic Emission Spectrometry(Performance-Based Test Methodology ), ASTME1409 - 2013 Standard Test Method forDetermination of Oxygen and Nitrogen in Titanium and Titanium Alloys by Inert Gas Fusion , ASTME1447 - 2009 Standard Test Method forDetermination of Hydrogen in Titanium andTitanium Alloys by Inert Gas Fusion ThermalConductivity/Infrared Detection Method , ASTME1941 - 2010 Standard Test Method forDetermination of Carbon in Refractory and Reactive Metals and Their Alloys by Combustion Analysis ,測定R12-TC4鈦合金的化學成分。

采用OPTIMA-4300V 型電感耦合等離子體發射光譜儀(美國PE 公司)和LECO 公司的氣體元素分析儀對試樣的化學成分進行測量。將0.1 g 試樣溶解于由5 mL H₂O+2 mL 氫氟酸+1 mL 硝酸配制而成的溶液中,正常溶解時不用加熱,完全溶解后將溶液轉移至100 mL 塑料容量瓶中定容、搖勻,再進行測量。碳的測量:將0.3 g 屑狀試樣與1 g 銅屑(助熔劑)置于瓷坩堝中,分析時間為35 s。氧、氮的測量:將0.1 g 塊狀試樣與鎳籃(助熔劑)置于石墨坩堝中,脫氣功率為5 500 W,分析功率為5 000 W,氧的分析時間為40 s,氮的分析時間為60 s。氫的測量:將0.15 g 試樣加入1 g 錫片(助熔劑)中,脫氣功率為3 500 W,分析功率為3 200 W,分析時間為60 s。

2.3 合金型號對比分析

參照ISO-6892-1-2016 《金屬材料-拉伸試驗第1 部分:室溫測試方法 》,屈服前拉伸速度為0.005 mm/min,屈服后為8 mm/min。為排除拉伸試驗參數的影響,選用R7 型TC4鈦合金(記為R7-TC4)作為對比試樣,分析合金型號TC4鈦合金拉伸性能的影響。R7-TC4鈦合金的拉伸試樣尺寸如圖3 所示。

2.4 顯微組織觀察

顯微組織分析是金屬材料試驗研究的重要內容之一,能夠采用定量金相學原理,測量和計算合金組織的三維空間形貌,建立合金成分、組織和性能間的定量關系。具有精度高、速度快等優點,可大大提高工作效率[13-14]。

通過不同處理工藝,TC4鈦合金可以獲得馬氏體組織、粗大網籃組織、針狀組織、魏氏組織、蠕蟲狀組織和等軸α組織+塊狀雙態組織。其中,等軸α組織+塊狀雙態組織的塑性好于其它組織[15]。采用Zeiss Axiovert 200MAT 型金相顯微鏡對拉伸性能偏低的試樣和拉伸性能正常的試樣進行觀察,根據SAE AMS 2643E:2012 Structural Examination of Titanium Alloys Chemical Etch Inspection Procedure ,將試樣進行逐級打磨、拋光、浸蝕后,用酒精清洗并吹干后待用,浸蝕溶液由5%(體積分數)HF+12%(體積分數)HNO3 +80%(體積分數)H2 O 配置而成。

3 、結果與討論

3.1 布氏硬度試驗

測得R12-TC4-1 試樣的布氏硬度平均值為287.2 HB,TC4-2 試樣的布氏硬度平均值為288.8 HB,其測量結果均低于正常值(330 HB);抗拉強度R m 與布氏硬度H B 之間存在強相關性[16],即R m/H B ≈3.19。因此,R12-TC4-1 和R12-TC4-2試樣的抗拉強度分別應為916.17 MPa 和921.27 MPa。對比表1 中的抗拉強度,通過布氏硬度推測出的抗拉強度與實測抗拉強度相差不大,因此排除人為因素影響。

3.2 化學成分分析

參照GB/T 3620.1-2007《鈦及鈦合金牌號和化學成分》,由表2 可見,R12-TC4鈦合金的化學成分均符合標準的技術要求。

3.3 合金型號對TC4鈦合金拉伸性能的影響

R7-TC4鈦合金的拉伸試驗結果見表3,其軸向應力-應變曲線如圖4 所示。表3 均為修約后數據,修約標準參考GB/T 8170-2008《數值修約規則與極限數值的表示和規定》。由表3 和圖4 可知,R7-TC4鈦合金的屈服強度均高于R12-TC4鈦合金,但其抗拉強度和屈服強度均低于GB/T 13810-2007《外科植入物用鈦及鈦合金加工材》標準值,這是因為R7-TC4鈦合金屈服前的拉伸速度較高,其屈服強度有所提高,但提高幅度有限,這不是造成TC4鈦合金拉伸強度偏低的主要原因。

3.4 顯微組織觀察

由圖5a)可知,拉伸性能不合格的R12-TC4鈦合金試樣的顯微組織為β轉變基體上的等軸狀α組織(初生α相)和短棒狀α組織(次生α相),初生α相體積分數在60%左右。R12-TC4鈦合金為α+β 兩相鈦合金,初生α相對鈦合金的塑性影響較大,次生α相對鈦合金的強度影響較大[17]。根據GB/T6611-2008 《鈦及鈦合金術語和金相圖譜》,在加熱到高于α+β兩相共存區溫度后以一定的速率冷卻,或在高于α+β兩相共存區溫度變形,均可形成這種組織。在兩相區較低溫度加熱時,組織中保留了大量初生α相,空冷后為初生α相+少量β相。當次生α相寬度增加時,R12-TC4鈦合金的強度降低,塑性增加,隨著R12-TC4鈦合金中初生α相含量的降低,其拉伸強度有所提高,隨著冷卻速率的加快,其強度逐漸提高。因為,R12-TC4鈦合金熱處理工藝中冷卻方式為爐冷,冷卻速度較慢,導致其初生α相含量升高,且出現了少量較寬的短棒狀次生α相,這是R12-TC4鈦合金拉伸性能偏低的主要原因。

拉伸性能合格的R12-TC4鈦合金試樣的抗拉強度為980 MPa,屈服強度為895 MPa,斷后伸長率為1 9%,斷面收縮率為42%。由圖5b)可知,拉伸性能合格的R12-TC4鈦合金試樣的顯微組織中細條狀初生α相體積分數在40%左右。對比圖5a)可知,隨著初生α相含量的下降和次生α相寬度的減小,R12-TC4鈦合金的強度增加,塑性無明顯變化。

4 結論

(1) R12 型TC4鈦合金的布氏硬度與抗拉強度的實測值滿足R m/H B ≈ 3.19 的關系,其化學成分符合技術要求。

(2) R12 型TC4鈦合金棒材拉伸強度偏低與拉伸速度和試樣型號無明顯關系,其主要原因是其熱處理工藝中的冷卻方式為爐冷,冷卻速率較慢,導致其初生α相含量較多,且出現了少量較寬的短棒狀次生α相。

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