組織形貌對(duì)TC4鈦合金棒材性能的影響

黃淑陽(yáng) 王淑艷 夏雪蓮

摘 ?要：文章研究了組織形貌對(duì)TC4鈦合金棒材室溫拉伸性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，具有均勻細(xì)小等軸α相組織形貌的材料具有高強(qiáng)度、高塑性的優(yōu)點(diǎn)，其綜合性能優(yōu)于粗晶材料，而片層狀組織和魏氏體組織形貌的材料，強(qiáng)度指標(biāo)差別不大，但其塑性指標(biāo)急劇下降。

關(guān)鍵詞：TC4合金;組織;性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TG146 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）13-0066-02

Abstract： In this paper， the effect of microstructure on the tensile properties of TC4 titanium alloy bars at room temperature is studied. The experimental results show that the materials with uniform， fine， equiaxed α-phase microstructure have the advantages of high strength and high plasticity， and their comprehensive properties are better than those of coarse grained materials. However， there is no significant difference in strength index between lamellar structure and bainite morphology， but the plastic index decreases sharply.

Keywords： TC4 alloy; microstructure; properties

TC4鈦合金是目前應(yīng)用最廣泛的一種α+β型鈦合金，其用量占鈦合金總消耗量的50%以上。由于它具有耐蝕、高強(qiáng)、耐熱、可熱處理強(qiáng)化、無(wú)磁性，故廣泛應(yīng)用于航空航天、化學(xué)化工、醫(yī)療器械及體育器材等各個(gè)領(lǐng)域[1-2]。

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，受合金成分、加工工藝、熱處理狀態(tài)等因素影響，TC4鈦合金組織多樣，而組織形貌直接影響產(chǎn)品的使用性能，因此研究組織與力學(xué)性能的系統(tǒng)對(duì)比具有重要意義。本文分析探討了組織形貌對(duì)TC4鈦合金棒材室溫力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)材料選用規(guī)格為Ф35mm的TC4徑鍛棒坯，經(jīng)加熱、軋制、拉伸、熱處理等工序制備規(guī)格為Ф10mm的TC4鈦合金棒材，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)適當(dāng)?shù)墓に嚳刂?，制備出四?lèi)不同組織形貌的試驗(yàn)棒材，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

上述坯料經(jīng)750℃保溫1h，AC熱處理后進(jìn)行顯微組織及室溫力學(xué)性能的檢測(cè)。

顯微組織采用ZEISS光學(xué)顯微鏡檢測(cè)，并按GB/T13810-2007評(píng)級(jí)圖進(jìn)行評(píng)級(jí);室溫拉伸性能采用WDW-50電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)方法嚴(yán)格依據(jù)GB/T228相關(guān)要求執(zhí)行。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 顯微組織及力學(xué)性能

經(jīng)加工后的Φ10mm、TC4鈦合金棒材各類(lèi)組織形貌如圖1所示，材料顯微組織形貌共分為四類(lèi)，第Ⅰ類(lèi)為均勻分布的細(xì)小等軸α相晶粒，初生α相含量在95%以上，組織評(píng)級(jí)符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T13810-2007附圖中A2級(jí);第Ⅱ類(lèi)為均勻分布的較大α相晶粒，并且出現(xiàn)較多β轉(zhuǎn)組織形貌，初生α相在50%左右，組織評(píng)級(jí)符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T13810-2007附圖中A5級(jí);第Ⅲ類(lèi)由片狀α相組成的片層組織，有不連續(xù)的晶界α相，組織評(píng)級(jí)超出標(biāo)準(zhǔn)要求;第Ⅳ類(lèi)為典型魏氏組織，存在完整原始晶界。

對(duì)上述不同組織形貌的TC4、Ф10mm棒材進(jìn)行室溫拉伸力學(xué)性能測(cè)試，具體參數(shù)如表2所示。

表2 Ф10mm、TC4棒材力學(xué)性能

2.2 實(shí)驗(yàn)分析

上述坯料的室溫拉伸強(qiáng)度指標(biāo)及塑性指標(biāo)對(duì)比情況如圖2所示。

由圖可知，顯微組織晶粒越細(xì)小其具有高強(qiáng)度、高塑性的優(yōu)點(diǎn)，此外，隨著材料晶粒尺寸長(zhǎng)大，抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度均有所下降，并且延伸率及斷面收縮率也同時(shí)降低。當(dāng)初生α相被完全吸收后，第Ⅲ類(lèi)片層狀組織試樣的塑性指標(biāo)下降明顯，并且第Ⅳ類(lèi)魏氏體組織形貌試樣的各項(xiàng)指標(biāo)下降更加顯著。

這是因?yàn)榻饘倬Я３叽缭叫?，單位體積內(nèi)所包含的晶粒個(gè)數(shù)就越多，位錯(cuò)及顯微缺陷集中的晶界區(qū)域面積越大，對(duì)塑性變形抗力越大。再者，晶粒尺寸越細(xì)小，晶粒的四周具有更多不同取向的晶粒，在變形滑移的時(shí)候，互相牽制的力更大，使室溫拉伸變形的時(shí)候變形抗力越大。

細(xì)晶組織有較高的強(qiáng)度指標(biāo)，并且其塑性指標(biāo)也高，這是因?yàn)榫ЯＴ郊?xì)小，單位體積內(nèi)的晶粒數(shù)量越多，變形就可以分散在更多的有利滑移的晶粒內(nèi)進(jìn)行。因而金屬塑性變形比較均勻，由于變形均勻，就不易產(chǎn)生應(yīng)力過(guò)分集中，這樣就能使較多的晶體能夠承受較大的塑性變形而不斷裂，因而晶粒越細(xì)，塑性越好。

此外，片層狀組織及魏氏體組織試樣的塑性性能劇烈下降，這是因?yàn)槠湓季ЯＲ绕渌?lèi)型的組織更加粗大、而且存在網(wǎng)狀晶界α相所致。

3 結(jié)論

（1）顯微組織晶粒越細(xì)小其具有高強(qiáng)度、高塑性的優(yōu)點(diǎn)，其綜合性能指標(biāo)均優(yōu)于粗晶材料。

（2）具有片層狀組織及魏氏體組織形貌的材料，其室溫塑性指標(biāo)急劇下降。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉瑩，曲周德，王本賢.鈦合金TC4的研究開(kāi)發(fā)及應(yīng)用[J].兵器材料科學(xué)及工程，2005，28（5）：47-50.

[2]金屬鈦及其應(yīng)用[M].程敏，趙克德，譯.冶金工業(yè)出版社，1989，8.