室溫下TC11鈦合金準靜態(tài)拉伸力學性能實驗研究

牛秋林，陳 明，明偉偉

(1.湖南科技大學機電工程學院，湖南湘潭 411201；2.上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240)

室溫下TC11鈦合金準靜態(tài)拉伸力學性能實驗研究

牛秋林1，陳 明2，明偉偉2

(1.湖南科技大學機電工程學院，湖南湘潭 411201；2.上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240)

針對典型航空材料TC11鈦合金的拉伸性能，采用準靜態(tài)拉伸實驗對不同應變率條件下的TC11鈦合金的應力-應變關(guān)系進行了研究，利用掃描電鏡分析了其拉伸斷口形貌。實驗結(jié)果表明：TC11鈦合金具有一定的應變率敏感性，抗拉強度和屈服強度均會受到應變率的影響；準靜態(tài)拉伸時TC11鈦合金試樣出現(xiàn)了頸縮現(xiàn)象，試樣截面形狀為杯錐狀，試樣斷口存在光滑的剪切唇區(qū)和灰色的纖維區(qū)，其斷裂屬于韌性斷裂，但是其韌性較差；TC11鈦合金拉伸斷口形貌主要為大小不一的韌窩，隨著應變率的增大，試樣拉伸斷口韌窩的大小和深度均變小，同時出現(xiàn)了少量的撕裂棱和準解理面，試樣的斷裂機制為以韌性斷裂為主和伴有準解理斷裂。因此，在準靜態(tài)拉伸條件下，TC11鈦合金的力學行為與應變率有關(guān)。

材料力學；TC11鈦合金；準靜態(tài)拉伸；力學性能；斷口形貌

鈦合金由于具有優(yōu)良的機械性能而受到廣泛關(guān)注[1-2]。TC11鈦合金是一種典型的α+β型雙相鈦合金，廣泛應用于航空領(lǐng)域中許多關(guān)鍵零部件的制造，例如：發(fā)動機壓氣機盤、轉(zhuǎn)子葉片、緊固件等，具有高比強度、高韌性、熱硬性好等特點[3-9]。但是，由于其熱導率小，導熱性差，變形抗力大，因此，TC11鈦合金屬是一種典型的難加工材料[10-11]。在切削加工過程中，TC11鈦合金會受到不同載荷的沖擊，從而發(fā)生劇烈的彈塑性變形。研究其物理力學特性是構(gòu)建其本構(gòu)關(guān)系模型的重要一環(huán)[12-13]。同時，準靜態(tài)拉伸實驗也是獲得其屈服強度等本構(gòu)模型關(guān)鍵參數(shù)的一個重要方法。所以，對TC11鈦合金的準靜態(tài)拉伸性能進行研究非常必要。

針對TC11鈦合金的力學性能研究主要集中在其壓縮或熱變形性能研究方面[14-17]。徐彬[18]通過改變退火工藝和參數(shù)研究了在0.001～940 s-1和800～1 050 ℃范圍內(nèi)TC11鈦合金的高溫壓縮性能。王克魯?shù)萚4]和趙為綱等[19]利用高溫壓縮實驗研究了TC11鈦合金在0.001～70 s-1時的相區(qū)變形行為和流動應力變化規(guī)律。舒大禹等[11]則對室溫時高應變率條件下的動態(tài)剪切性能進行了分析。GU等[20]研究了不同熱處理工藝對TC11鈦合金的高溫拉伸蠕變行為的影響。而ZHANG等[21]對TC11鈦合金在0.001～940 s-1范圍內(nèi)的拉伸性能研究后認為，材料的拉伸屈服強度隨著應變率的增加而增大。

目前，有關(guān)TC11鈦合金準靜態(tài)拉伸斷口形貌方面的研究較少[22]。本文針對TC11鈦合金的軸向拉伸力學性能，采用準靜態(tài)拉伸實驗對不同應變率下的拉伸力學行為進行了分析，研究了其準靜態(tài)拉伸實驗中獲得的力學特性和斷口形貌，以便為該材料的本構(gòu)建模提供關(guān)鍵系數(shù)參考。

1 試樣制備與實驗方法

1.1 試樣制備

實驗材料為TC11鈦合金鍛件，其金相組織如圖1所示，其主要化學成分(wt%)為6.56 Al，3.49 Mo，1.78 Zr，0.31 Si，0.062 Fe，0.1 O，0.012 N，0.01 C，0.001 H[9]，其余為Ti。TC11鈦合金拉伸試樣為圓柱試樣，試樣直徑為5 mm，原始標距為30 mm，其具體尺寸如圖2所示。圖3為TC11鈦合金試樣在拉伸實驗前后的對比照片。

圖1 TC11鈦合金的金相組織Fig.1 Metallographic organization of TC11 titanium alloy

圖2 試樣的詳細尺寸Fig.2 Detailed dimensions of specimens

圖3 拉伸實驗前后試樣的實物照片F(xiàn)ig.3 Physical photos of specimens before and after tensile tests

1.2 實驗方法

根據(jù)GB/T 228.1—2010的規(guī)定，準靜態(tài)拉伸實驗在WDW-100D型萬能試驗機上進行。實驗溫度為常溫。為了獲得TC11鈦合金的準靜態(tài)力學性能，應變率采用0.001，0.01和0.1 s-13個實驗條件，其對應的加載速度分別為1.5，15和150 mm/min。實驗之后，為了方便進行下一步的分析測試工作，對試樣的非斷裂面進行了線切割和打磨。最后，采用HITACHI S-4800型掃描電子顯微鏡觀察拉伸試樣斷口的微觀形貌。

圖4 不同應變率條件下TC11鈦合金的準靜態(tài)拉伸應力-應變曲線Fig.4 Quasi static tensile stress-strain curves of TC11 titanium alloy at different strain rates

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 TC11鈦合金準靜態(tài)拉伸性能分析

不同應變率條件下TC11鈦合金的準靜態(tài)拉伸應力-應變曲線和拉伸性能如圖4和表1所示。由圖4可知，隨著應變率的增大，在塑性變形階段流動應力逐漸增大，試樣的工程應力在應變率為0.1 s-1時變化最大。試樣在應變率為0.001，0.01和0.1 s-1時得到的屈強比分別為0.83，0.81和0.91。試樣的準靜態(tài)抗拉強度從0.001 s-1時的1 090 MPa增加到了0.1 s-1時的1 180 MPa，準靜態(tài)屈服強度則從904.7 MPa增大到了1 073.8 MPa，抗拉強度和屈服強度均表現(xiàn)出了同應變率的相關(guān)性。因此，TC11鈦合金在準靜態(tài)拉伸條件下表現(xiàn)出了一定的應變率敏感性。

表1 不同應變率條件下TC11鈦合金的準靜態(tài)拉伸性能

2.2 斷口宏觀形貌分析

圖5為準靜態(tài)拉伸實驗獲得的TC11鈦合金斷口的低倍顯微組織照片。從圖5中可以看出，在3個應變率條件下TC11鈦合金試樣均發(fā)生了頸縮現(xiàn)象，試樣截面表現(xiàn)為杯錐狀，形成了光滑的剪切唇區(qū)和灰色的纖維區(qū)，放射區(qū)不明顯。當應變率為0.001 s-1時，試樣的纖維區(qū)較為平整(圖5 a))。隨著應變率的增大，纖維區(qū)表面形貌愈發(fā)粗糙。另一方面，當應變率從0.001 s-1增大到0.1 s-1時，試樣斷口的剪切唇區(qū)面積逐漸增大。這可能與拉伸過程中TC11鈦合金的α+β雙相組織結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)。已有的研究表明，等軸α相有利于提高抗裂紋萌生能力，而針狀β相則具有提高抗裂紋擴展的能力[5]。但是，當應變率不斷增大時，由于試樣軸向應力增大，從而引起剪切面上裂紋的擴展速度加快。其斷面形貌的變化規(guī)律也與試樣的抗拉強度的變化保持一致。從圖5中也可以看出，試樣在3個不同應變率下獲得的拉伸斷口的頸縮現(xiàn)象并不是特別顯著，這與表1中顯示的3個試樣的斷面收縮率并不相吻合。因此，TC11鈦合金在準靜態(tài)拉伸條件下的斷裂方式屬于韌性斷裂，但其韌性較差。

圖5 不同應變率下獲得的TC11鈦合金拉伸斷口形貌Fig.5 Tensile fracture morphology of TC11 titanium alloy obtained at different strain rates

2.3 斷口顯微結(jié)構(gòu)分析

準靜態(tài)拉伸實驗獲得的TC11鈦合金的斷口中部的顯微組織結(jié)構(gòu)如圖6所示，顯微形貌均放大了10 000倍。從圖6中可以看出，應變率為0.001 s-1時，試樣斷口存在許多大小不一的韌窩，大韌窩中包含小的韌窩，部分韌窩較深且底部有成核顆?；蚩斩?圖6 a))，這是由單軸拉伸引起的等軸韌窩。同時，試樣斷口還有少量的撕裂棱。因此，試樣斷口表現(xiàn)為以韌性斷裂為主和伴有準解理斷裂。當應變率為0.01 s-1時，試樣斷口的撕裂棱增多，韌窩尺寸變小且較淺。應變率增大到0.1 s-1時，試樣斷口表面局部出現(xiàn)準解理面(圖6 c))，韌窩變?yōu)榫W(wǎng)狀韌窩(圖6 d))。因此，隨著應變率的增大，試樣拉伸斷口韌窩的大小和深度均變小，而解理面有增多的趨勢。這表明，隨著應變率的增加，該材料的塑性在逐漸發(fā)生改變。

圖6 不同應變率下獲得的TC11鈦合金的微觀組織Fig.6 Microstructure of TC11 titanium alloy obtained at different strain rates

3 結(jié) 論

1)利用不同應變率條件下的準靜態(tài)拉伸實驗對TC11鈦合金的拉伸力學行為進行分析后的結(jié)果表明，TC11鈦合金具有一定的應變率敏感性。在準靜態(tài)拉伸條件下，該材料的抗拉強度隨應變率的增大而逐漸增大。

2)準靜態(tài)拉伸時TC11鈦合金試樣具有頸縮現(xiàn)象，試樣截面呈杯錐狀，斷口存在光滑的剪切唇區(qū)和灰色的纖維區(qū)，但是其放射區(qū)不明顯，頸縮不顯著，試樣的斷面收縮率不高。因此，TC11鈦合金的準靜態(tài)拉伸斷裂雖然屬于韌性斷裂，但是其韌性較差。

3)TC11鈦合金拉伸試樣的斷口形貌主要為大小不一的韌窩。隨著應變率的增大，斷口表面的韌窩開始減少、變淺，并出現(xiàn)少量的撕裂棱和準解理面。試樣的斷裂機制為以韌性斷裂為主和伴有準解理斷裂。

4)主要研究了TC11鈦合金的準靜態(tài)拉伸時的力學行為，但對其拉伸斷口的斷裂機理的分析還不夠透徹，同時，該材料在高應變率下的動態(tài)變形特性有待進一步研究。

/References:

[1] 李博，沈以赴，胡偉葉. TC4鈦合金攪拌摩擦焊微觀組織特征及影響[J]. 河北科技大學學報, 2016, 37(1):20-25. LI Bo, SHEN Yifu, HU Weiye. Microstructural characteristics and effects of TC4 titanium alloy processed by using friction stir welding[J]. Journal of Hebei University of Science and Technology, 2016, 37(1): 20-25.

[2] 吉春輝，劉振旺，秦旭達，等. 鈦合金螺旋銑孔參數(shù)對表面粗糙度影響研究[J]. 河北科技大學學報，2015, 36(3):225-231. JI Chunhui, LIU Zhenwang, QIN Xuda, et al. Study on the influence of helical milling parameters on surface roughness of titanium alloy[J]. Journal of Hebei University of Science and Technology, 2015, 36(3): 225-231.

[3] LI Miaoquan，LIU Xuemei，XIONG Aiming．Prediction of the mechanical properties of forged TC11 titanium alloy by ANN[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2002,121(1):1-4．

[4] 王克魯, 魯世強, 李鑫, 等. 應變速率對TC11鈦合金α+β相區(qū)變形行為的影響[J]. 熱加工工藝, 2009, 38(8):13-16. WANG Kelu, LU Shiqiang, LI Xin, et al. Effect of strain rate on deformation behavior in α+β phase field of titanium alloy TC11[J]. Hot Working Technology, 2009, 38(8):13-16.

[5] 畢中南，張麥倉，周世杰. TC11合金熱變形特性及變形參數(shù)對組織的影響[J]. 航空制造技術(shù), 2009(10):77-81． BI Zhongnan，ZHANG Maicang，ZHOU Shijie．Influence of TC11 alloy hot deformation and deformation parameters on microstructure[J]．Aeronautical Manufacturing Technology，2009(10):77-81.

[6] 吳英彥，王萬波，計波. TC11鈦合金棒材在α+β兩相區(qū)的終鍛變形[J]. 中國有色金屬學報，2010,20 (sup1): 811-814. WU Yingyan, WANG Wanbo, JI Bo. Final wrought deformation of TC11 titanium alloy in (α+β) phase[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2010,20 (sup1): 811-814.

[7] 李曉芹. 鍛造加熱溫度對TC11合金組織性能的影響[J]. 熱加工工藝, 1999(3):30-32． LI Xiaoqin. Influence of heat-temperature of forging on the microstructure property of TC11 alloy[J]. Hot Working Technology, 1999(3):30-32．

[8] 顏茜，舒鑫柱，祝菲霞, 等. TC11鈦合金4種典型組織靜態(tài)力學性能對比研究[J]. 云南大學學報(自然科學版), 2016, 38(1):99-104. YAN Qian，SHU Xinzhu，ZHU Feixia, et al. A comparative study on quasistatic mechanical properties of four kinds of typical microstructure of TC11 titanium alloy at room temperature[J]. Journal of Yunnan University(Natural Sciences Edition), 2016, 38(1):99-104.

[9] ZHANG X Y, LI M Q, LI H, et al. Deformation behavior in isothermal compression of the TC11 titanium alloy[J]. Materials and Design, 2010, 31(6):2851-2857.

[10]NIU Qiulin, AN Qinglong, CHEN Ming, et al. Wear mechanisms and performance of coated inserts during face milling of TC11 and TC17 alloys[J]. Machining Science and Technology, 2013, 17(3):483-495.

[11]舒大禹, 張帷, 胡慶華, 等. 高應變速率下TC11鈦合金動態(tài)剪切行為與性能[J]. 精密成形工程, 2012, 4(1):1-4. SHU Dayu, ZHANG Wei, HU Qinghua, et al. Dynamic shearing behavior and mechanical property of TC11 alloys at high strain rates[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2012, 4(1):1-4.

[12]劉戰(zhàn)強，張克國. J-C本構(gòu)參數(shù)對絕熱剪切影響的敏感性分析[J].航空學報, 2011, 32(11): 2140-2146. LIU Zhanqiang, ZHANG Keguo. Sensitivity analysis of Johnson-Cook material constants on adiabatic shear[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2011, 32(11):2140-2146.

[13]朱磊，張麥倉，董建新，等. TC11 合金本構(gòu)關(guān)系的建立及其在盤件等溫鍛造工藝設(shè)計中的應用[J].稀有金屬材料與工程，2006，35(2): 253-256. ZHU Lei, ZHANG Maicang, DONG Jianxin, et al. Constitutive relationship of TC11 alloy and its application in hot die forging process of disc component using finite element method[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2006, 35(2): 253-256.

[14]李鑫，趙為綱，魯世強，等. TC11合金β相區(qū)大應變熱變形行為及組織研究[J].兵器材料科學與工程, 2007, 30(3)：28-33. LI Xin, ZHAO Weigang, LU Shiqiang, et al. Investigation on hot deformation behavior and microstructure of TC11 alloy at large strain during β-phase[J]. Ordnance Material Science and Engineering, 2007，30(3)：28-33.

[15]張琪薇. 應變率對兩相鈦合金TC11拉壓不對稱性影響的實驗研究[D].合肥：中國科學技術(shù)大學, 2014. ZHANG Qiwei. Effect of Strain Rate on the Tension-compression Asymmetry of Two-phase Titanium TC11[D]. Hefei: University of Science and Technology of China, 2014.

[16]李賽毅，文浩，雷力明，等. TC11合金兩相區(qū)退火對微觀組織與微觀織構(gòu)的影響[J]. 中國有色金屬學報, 2012, 22(11)：3022-3028. LI Saiyi, WEN Hao, LEI Liming, et al. Effect of annealing in two-phase field on microstructure and microtexture of TC11 alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2012, 22(11)：3022-3028.

[17]史科，單德彬，呂炎. TC11合金高溫變形行為及其機理[J]. 宇航材料工藝, 2008, 38(2): 52-56. SHI Ke, SHAN Debin, LYU Yan. Hot deformation behavior and deformation mechanism of TC11 alloy[J]. Aerospace Materials and Technology, 2008, 38(2): 52-56.

[18]徐彬. TC11鈦合金高溫壓縮變形行為研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學, 2006. XU Bin. Hot Compression Deformation Behavior of TC11 Titanium Alloy[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2006.

[19]趙為綱, 李鑫, 魯世強, 等. TC11鈦合金高溫變形本構(gòu)關(guān)系研究[J]. 塑性工程學報, 2008, 15(3):123-127. ZHAO Weigang, LI Xin, LU Shiqiang, et al. Study on constitutive relationship of TC11 titanium alloy during high temperature deformation[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2008, 15(3):123-127.

[20]GU Yi, ZENG Fanhao, QI Yanling, et al. Tensile creep behavior of heat-treated TC11 titanium alloy at 450-550 ℃[J]. Materials Science and Engineering A, 2013, 575:74-85.

[21]ZHANG Jun, WANG Yang. Tension behavior of Ti-6.6Al-3.3Mo-1.8Zr-0.29Si alloy over a wide range of strain rates[J]. Materials Letters, 2014, 124(6):113-116.

[22]SUN Q J, WANG G C, LI M Q. The superplasticity and microstructure evolution of TC11 titanium alloy[J]. Materials and Design, 2011, 32(7):3893-3899.

Experimental study on quasi-static tensile mechanical properties ofTC11 titanium alloy at room temperature

NIU Qiulin1, CHEN Ming2, MING Weiwei2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan, Hunan 411201, China; 2.School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

According to the tensile properties of typical aerospace material TC11 titanium alloy, the stress-strain relationship is studied using the quasi-static tensile test at different strain rates, and the tensile fracture morphology is analyzed with SEM. The experimental results show that TC11 titanium alloy has certain strain rate sensitivity, and both tensile strength and yield strength are affected by strain rate. During quasi-static tension test, TC11 titanium alloy specimen has the phenomenon of neck shrinkage. The section of the specimen is cuppy, and there is smooth shear lip zone and grey fiber area in the sample fracture. The fracture of the samples belongs to ductile fracture, but its toughness is poor. The tensile fracture morphology of TC11 titanium alloy is mainly the dimple with different sizes, but with the increase of strain rate, the size and the depth of dimple at the tensile fracture are smaller, and the fracture surface produces a small number of tearing edges and quasi-cleavage plane, and the fracture mechanism of the specimen is mainly ductile fracture and quasi-cleavage fracture. Therefore, the mechanical behavior of TC11 titanium alloy is related to strain rate under quasi-static tensile condition.

mechanics of materials; TC11 titanium alloy; quasi-static tension; mechanical properties; fracture morphology

2017-02-24；

2017-03-16；責任編輯：陳書欣

國家自然科學基金(51605161，51405294)；湖南科技大學科研啟動基金(E51660)；難加工材料高效精密加工湖南省重點實驗室開放基金(E21639)

牛秋林(1983—)，男，河南林州人，講師，博士，主要從事難加工材料高速切削、超聲振動輔助加工和難加工材料本構(gòu)關(guān)系建模方面的研究。

E-mail:qlniu2009@163.com

1008-1542(2017)04-0320-05

10.7535/hbkd.2017yx04002

TG146.2

A

牛秋林，陳 明，明偉偉.室溫下TC11鈦合金準靜態(tài)拉伸力學性能實驗研究[J].河北科技大學學報,2017,38(4):320-324. NIU Qiulin,CHEN Ming,MING Weiwei.Experimental study on quasi-static tensile mechanical properties of TC11 titanium alloy at room temperature[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2017,38(4):320-324.