TC4鈦合金板材高溫?zé)崂煨阅艿难芯?/h1>
2019-06-27 00:07丁嘉健劉家和楊展銘席彬彬
科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2019年11期 關(guān)鍵詞：塑性
丁嘉健 劉家和 楊展銘 席彬彬
摘? 要：采用了Gleeble 3800熱模擬機(jī)，對TC4鈦合金進(jìn)行了等溫拉伸實(shí)驗(yàn)，研究了TC4鈦合金在溫度為20℃，300℃，600℃，700℃，800℃，應(yīng)變速率在0.004s-1條件下的高溫拉伸變形情況。
關(guān)鍵詞：TC4鈦合金;熱拉伸;塑性
中圖分類號(hào)：TG306? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）11-0041-03
Abstract： The isothermal tensile test of TC4 titanium alloy was carried out by using Gleeble 3800 thermal simulator. The tensile deformation of TC4 titanium alloy at 20 ℃， 300 ℃， 600 ℃， 700 ℃， and 800 ℃and strain rate at 0.004s-1 was studied.
Keywords： TC4 titanium alloy; hot tension; plasticity
TC4鈦合金是一種（α+β）型鈦合金，其綜合性能優(yōu)良，常作為重要零部件應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域[1-2]。在鈦合金的應(yīng)用中，板料成形尤其是薄板成形一直是成形領(lǐng)域的難點(diǎn)。鈦合金材料的屈強(qiáng)比高，板材室溫下塑性變形范圍窄小，成形困難，回彈嚴(yán)重，薄板成形的難度更大，所以一般需要采用熱成形加工[3-5]。
國外學(xué)者對TC4鈦合金板料在高溫下深拉深的失效和成形性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)失效部位發(fā)生在成形零件的頸部和壁部，同時(shí)指出鈦合金很難在室溫到150℃范圍內(nèi)拉深，最大拉深比在400℃下達(dá)到1.8，但是仍然比其他結(jié)構(gòu)的合金小，受設(shè)備因素，該研究未能使研究溫度提高到400℃以上，所以鈦合金的高溫成形性能以及失效類型并未得到更充分的研究，更高溫度條件下的鈦合金板料熱成形性能值得期待。
本課題通過在更高溫度條件下進(jìn)行材料的熱拉伸研究，以期掌握材料的熱成型的溫度范圍，為實(shí)際生產(chǎn)和科學(xué)研究提供參考。
1 實(shí)驗(yàn)
1.1 實(shí)驗(yàn)材料
實(shí)驗(yàn)材料采用高強(qiáng)度TC4鈦合金板料，厚度為0.8mm。室溫下抗拉強(qiáng)度1100MPa左右，延伸率δ5為10%?；瘜W(xué)成分見表1。
1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法
實(shí)驗(yàn)用式樣尺寸具體參數(shù)如圖1所示，使用的設(shè)備為Gleeble-3800熱力模擬壓力機(jī)。Gleeble熱力模擬試驗(yàn)機(jī)是一種物理模擬試驗(yàn)裝置，在物理模擬中利用小試樣在試驗(yàn)熱與受力的物理過程，充分而精確地揭示材料在熱加工過程中的組織性能變化規(guī)律，為制定合理的加工工藝以及研制新材料提供理論指導(dǎo)和技術(shù)依據(jù)。
熱模擬板料試樣用線切割加工成如圖1所示的拉伸試樣，在Gleeble-3800熱模擬機(jī)上進(jìn)行高溫拉伸實(shí)驗(yàn)。然后熱模擬機(jī)以2℃/s的速度加熱至測試溫度，并保溫30min讓試樣內(nèi)部的溫度均勻，拉伸失效后，將樣品冷卻至室溫，平均冷卻溫度40℃/s。拉伸溫度分別為20℃，300℃，600℃，700℃，800℃，應(yīng)變速率為0.004s-1，標(biāo)距為25mm。拉伸后的試樣圖2所示，（a）是20℃下拉伸后的試樣，（b）是300℃下拉伸后的試樣，（c）是600℃下拉伸后的試樣，（d）是700℃下拉伸后的試樣，（e）是800℃下拉伸后的試樣。
2 結(jié)果與討論
溫度對拉伸性能的影響：
在室溫條件下，接近1200Mp的拉伸應(yīng)力獲得接近0.1的應(yīng)變;在溫度達(dá)到300℃時(shí)，950Mp左右的應(yīng)力可以獲得0.1的應(yīng)變;在溫度超過600℃時(shí)，塑性明顯改善，不到600Mp的拉應(yīng)力條件就可以獲得接近0.1的應(yīng)變;在溫度達(dá)到700℃時(shí)，400Mp的應(yīng)力就可以獲得0.1的應(yīng)變;在800℃的情況下，TC4板件的塑性已經(jīng)非常優(yōu)良，不到100Mp就可以獲得0.1的應(yīng)變。金屬材料的塑性變形是通過滑移和孿生進(jìn)行的，塑性變形中位錯(cuò)密度的升高導(dǎo)致了加工硬化的出現(xiàn)，位錯(cuò)密度越大導(dǎo)致了塑性變形越難進(jìn)行，所以加工硬化率越大。溫度越高，能參與到塑性變形的滑移面增加，且隨著溫度的上升，原子的遷移能力增強(qiáng)，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)能力得以改善，這都使材料塑性改善，同時(shí)在高溫區(qū)間，晶界滑移和擴(kuò)散蠕變使塑性進(jìn)一步改善。
而當(dāng)溫度上升到800℃時(shí)，在實(shí)驗(yàn)的拉伸條件下，晶界滑移和擴(kuò)散蠕變開始變得明顯，因而斷面組織晶粒界面不清晰。
3 結(jié)論
（1）TC4鈦合金是一種強(qiáng)度很高的材料，在室溫和低于500℃以內(nèi)的溫度時(shí)，塑性成形性能差。
（2）當(dāng)溫度超過600℃以后，材料的塑性明顯改善，尤其在800℃左右，在100Mp就可以獲得0.1的應(yīng)變。
（3）在700℃左右的溫度，進(jìn)行塑性變形，TC4鈦合金會(huì)出現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象，有利于材料的組織與性能優(yōu)化，建議TC4鈦合金板料的熱成型溫度控制在700-800℃的溫度范圍內(nèi)。
參考文獻(xiàn)：
[1]馮穎芳.世界鈦及鈦合金的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].世界有色金屬，2012（4）：54-57.
[2]趙永慶，奚正平，曲恒磊.我國航空用鈦合金材料研究現(xiàn)狀[J].航空材料學(xué)報(bào)，2003，23（s1）：215-219.
[3]郭天文.TC4鈦合金板材熱拉深成形數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.
[4]陳志英.鈦合金冷拉深工藝初探[J].航空精密制造技術(shù)，2008，40（1）：42-45.
[5]Nitin Kotkunde， Aditya D.Deole， Amit Kumar Gupta. Failure and formability studies in warm deep drawing of Ti-6Al-4V alloy
[J]. Materials and Design， 2014，60：540-547.
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中圖分類號(hào)：TG306? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）11-0041-03
Abstract： The isothermal tensile test of TC4 titanium alloy was carried out by using Gleeble 3800 thermal simulator. The tensile deformation of TC4 titanium alloy at 20 ℃， 300 ℃， 600 ℃， 700 ℃， and 800 ℃and strain rate at 0.004s-1 was studied.
Keywords： TC4 titanium alloy; hot tension; plasticity
TC4鈦合金是一種（α+β）型鈦合金，其綜合性能優(yōu)良，常作為重要零部件應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域[1-2]。在鈦合金的應(yīng)用中，板料成形尤其是薄板成形一直是成形領(lǐng)域的難點(diǎn)。鈦合金材料的屈強(qiáng)比高，板材室溫下塑性變形范圍窄小，成形困難，回彈嚴(yán)重，薄板成形的難度更大，所以一般需要采用熱成形加工[3-5]。
國外學(xué)者對TC4鈦合金板料在高溫下深拉深的失效和成形性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)失效部位發(fā)生在成形零件的頸部和壁部，同時(shí)指出鈦合金很難在室溫到150℃范圍內(nèi)拉深，最大拉深比在400℃下達(dá)到1.8，但是仍然比其他結(jié)構(gòu)的合金小，受設(shè)備因素，該研究未能使研究溫度提高到400℃以上，所以鈦合金的高溫成形性能以及失效類型并未得到更充分的研究，更高溫度條件下的鈦合金板料熱成形性能值得期待。
本課題通過在更高溫度條件下進(jìn)行材料的熱拉伸研究，以期掌握材料的熱成型的溫度范圍，為實(shí)際生產(chǎn)和科學(xué)研究提供參考。
1 實(shí)驗(yàn)
1.1 實(shí)驗(yàn)材料
實(shí)驗(yàn)材料采用高強(qiáng)度TC4鈦合金板料，厚度為0.8mm。室溫下抗拉強(qiáng)度1100MPa左右，延伸率δ5為10%?；瘜W(xué)成分見表1。
1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法
實(shí)驗(yàn)用式樣尺寸具體參數(shù)如圖1所示，使用的設(shè)備為Gleeble-3800熱力模擬壓力機(jī)。Gleeble熱力模擬試驗(yàn)機(jī)是一種物理模擬試驗(yàn)裝置，在物理模擬中利用小試樣在試驗(yàn)熱與受力的物理過程，充分而精確地揭示材料在熱加工過程中的組織性能變化規(guī)律，為制定合理的加工工藝以及研制新材料提供理論指導(dǎo)和技術(shù)依據(jù)。
熱模擬板料試樣用線切割加工成如圖1所示的拉伸試樣，在Gleeble-3800熱模擬機(jī)上進(jìn)行高溫拉伸實(shí)驗(yàn)。然后熱模擬機(jī)以2℃/s的速度加熱至測試溫度，并保溫30min讓試樣內(nèi)部的溫度均勻，拉伸失效后，將樣品冷卻至室溫，平均冷卻溫度40℃/s。拉伸溫度分別為20℃，300℃，600℃，700℃，800℃，應(yīng)變速率為0.004s-1，標(biāo)距為25mm。拉伸后的試樣圖2所示，（a）是20℃下拉伸后的試樣，（b）是300℃下拉伸后的試樣，（c）是600℃下拉伸后的試樣，（d）是700℃下拉伸后的試樣，（e）是800℃下拉伸后的試樣。
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而當(dāng)溫度上升到800℃時(shí)，在實(shí)驗(yàn)的拉伸條件下，晶界滑移和擴(kuò)散蠕變開始變得明顯，因而斷面組織晶粒界面不清晰。
3 結(jié)論
（1）TC4鈦合金是一種強(qiáng)度很高的材料，在室溫和低于500℃以內(nèi)的溫度時(shí)，塑性成形性能差。
（2）當(dāng)溫度超過600℃以后，材料的塑性明顯改善，尤其在800℃左右，在100Mp就可以獲得0.1的應(yīng)變。
（3）在700℃左右的溫度，進(jìn)行塑性變形，TC4鈦合金會(huì)出現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象，有利于材料的組織與性能優(yōu)化，建議TC4鈦合金板料的熱成型溫度控制在700-800℃的溫度范圍內(nèi)。
參考文獻(xiàn)：
[1]馮穎芳.世界鈦及鈦合金的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].世界有色金屬，2012（4）：54-57.
[2]趙永慶，奚正平，曲恒磊.我國航空用鈦合金材料研究現(xiàn)狀[J].航空材料學(xué)報(bào)，2003，23（s1）：215-219.
[3]郭天文.TC4鈦合金板材熱拉深成形數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.
[4]陳志英.鈦合金冷拉深工藝初探[J].航空精密制造技術(shù)，2008，40（1）：42-45.
[5]Nitin Kotkunde， Aditya D.Deole， Amit Kumar Gupta. Failure and formability studies in warm deep drawing of Ti-6Al-4V alloy
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