TC4鈦合金絲材拉伸變形行為及退火溫度對(duì)其力學(xué)性能影響

汪 斌，吳自越，張 龍，何 東

(北方工業(yè)大學(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京 100144)

鈦合金具有抗拉強(qiáng)度高(686 MPa～1 176 MPa)、密度小(約4.5 g/cm3)[1]、高低溫性能優(yōu)異、耐腐蝕性強(qiáng)[2-3]等特點(diǎn)，在航空航天、軍事工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[4]。鈦合金組織是由α相和β相組成的，典型的組織形態(tài)可分為四類：等軸組織、魏氏組織、網(wǎng)籃組織以及雙態(tài)組織[5]。顯微組織形態(tài)對(duì)鈦合金宏觀力學(xué)性能與變形行為有著顯著的影響[6]：等軸組織具有較高的強(qiáng)度、良好的塑性以及疲勞性能，綜合性能較好[7]；魏氏組織強(qiáng)度較高、斷裂韌性及抗裂紋擴(kuò)展能力較好，但是塑性、熱穩(wěn)定性較差[8]；網(wǎng)籃組織具有較高的蠕變強(qiáng)度和斷裂韌性等優(yōu)點(diǎn)，但塑性較差[9]；雙態(tài)組織可以認(rèn)為是等軸組織與魏氏組織在一定程度上的結(jié)合，同時(shí)具有上述兩種組織的特點(diǎn)，綜合力學(xué)性能較好，具有較高的疲勞強(qiáng)度和塑性，但高溫穩(wěn)定性以及斷裂韌性較差[10-11]。目前廣泛使用的軋制鈦合金板材主要是等軸組織[12]。拉拔工藝制造的鈦合金絲材除等軸組織外還具有細(xì)小的網(wǎng)籃狀顯微組織[13]。除了組織狀態(tài)外，殘余應(yīng)力狀態(tài)也會(huì)對(duì)材料性能產(chǎn)生很大影響，比如冷拔態(tài)絲材在加工過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，進(jìn)而影響其力學(xué)性能[14]。鈦合金絲材和其他鈦合金材料一樣性能優(yōu)異、應(yīng)用廣泛[15]，但目前國(guó)內(nèi)對(duì)于絲材的力學(xué)性能少有報(bào)道。因此，本試驗(yàn)對(duì)冷拔態(tài)以及退火態(tài)TC4鈦合金絲材進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，并比較分析不同狀態(tài)TC4鈦合金絲材的力學(xué)性能及變形行為。

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)原料為直徑為2 mm的冷拔態(tài)TC4鈦合金絲材。冷拔態(tài)TC4鈦合金絲材中可能存在殘余應(yīng)力，會(huì)影響其力學(xué)性能，據(jù)此對(duì)絲材開展了不同溫度(保溫1.5 h)去應(yīng)力退火處理，工藝參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)材料的退火工藝Table 1 Annealing process of test materials

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

TC4鈦合金絲材的退火使用真空氣氛管式電阻爐，冷卻方式為空冷。室溫拉伸試驗(yàn)在Instron5980萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，使用標(biāo)距段為50 mm的引伸計(jì)測(cè)量變形。拉伸夾具采用金屬絲材專用夾具，如圖1a所示。拉伸應(yīng)變速率為5×10-4s-1，絲材標(biāo)距段為100 mm，如圖1b所示。使用Sigma-300掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌。

圖1 金屬絲材拉伸夾具及絲材標(biāo)距段Fig.1 Tensile fixture and gauge length for metal wire

2 結(jié)果與分析

2.1 冷拔態(tài)TC4鈦合金絲材拉伸曲線

冷拔態(tài)TC4鈦合金絲材(1#試樣)的拉伸變形應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。結(jié)果表明，TC4鈦合金絲材在拉伸變形過(guò)程中呈現(xiàn)連續(xù)屈服特征，無(wú)明顯的“屈服降”現(xiàn)象；彈性模量為91.1 GPa，屈服強(qiáng)度為865.4 MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了1 060.1 MPa，伸長(zhǎng)率為9.5%。

圖2 冷拔態(tài)TC4鈦合金絲材拉伸曲線Fig.2 Tensile curve of cold-drawn TC4 titanium alloy wire

2.2 退火溫度對(duì)TC4鈦合金絲材拉伸力學(xué)性能的影響

TC4鈦合金絲材的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3a所示。從圖3a可以看出，不同溫度退火的TC4鈦合金絲材在拉伸變形過(guò)程中均呈現(xiàn)連續(xù)屈服特征，無(wú)明顯的“屈服降”現(xiàn)象。由圖3b進(jìn)一步分析可得，隨退火溫度升高，加工硬化率初期下降速度增快，但逐漸出現(xiàn)加工硬化率下降速度減緩的現(xiàn)象，如圖3b中2#試樣和3#試樣拉伸曲線所示；隨著退火溫度進(jìn)一步升高，加工硬化率由連續(xù)下降轉(zhuǎn)變?yōu)榕_(tái)階式下降，其下降趨勢(shì)變緩，如圖3b中4#試樣和5#試樣拉伸曲線所示。這也可能是4#試樣和5#試樣擁有較高伸長(zhǎng)率(如表2所示)的原因。當(dāng)退火溫度為600 ℃(5#試樣)時(shí)，TC4鈦合金絲材擁有最好的塑性，伸長(zhǎng)率為11.3%。

表2 不同狀態(tài)TC4鈦合金絲材的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of TC4 titanium alloy wire in different states

圖3 不同溫度退火TC4鈦合金絲材拉伸性能及其加工硬化率Fig.3 Tensile properties and strain hardening rate of TC4 titanium alloy wire annealed at different temperatures

2.3 斷口觀察與分析

TC4鈦合金絲材拉伸斷口宏觀形貌如圖4所示。從圖4可以看出，TC4鈦合金絲材在拉伸過(guò)程中均出現(xiàn)了頸縮現(xiàn)象，均為韌性斷裂。但由于其頸縮現(xiàn)象并不明顯，斷面收縮率不高，所以TC4鈦合金絲材的塑性較差，與圖3所示的拉伸曲線相符。

圖4 TC4鈦合金絲材宏觀斷口形貌Fig.4 Macroscopic fracture morphologies of TC4 titanium alloy wire

不同狀態(tài)的TC4鈦合金絲材的斷裂方式類似，因此選取400 ℃退火的TC4鈦合金絲材(3#試樣)作為代表，使用掃描電子顯微鏡進(jìn)一步觀察其微觀斷口形貌，結(jié)果如圖5所示。該拉伸斷口存在明顯韌窩，韌性斷裂微觀特征明顯。如圖5b所示，該區(qū)域主要存在圓形等軸韌窩，分布較為均勻，但韌窩較小且淺，所以塑性較差。除此之外，還觀察到一些孔洞，如圖5c中箭頭所示?？锥纯赡苁怯捎赥C4鈦合金絲材拉伸變形過(guò)程中變形部分和非變形部分發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生凹陷所導(dǎo)致的。這些孔洞的存在容易引起應(yīng)力集中，使周圍形成剪切帶并形成裂紋，這也是該絲材塑性較差的原因之一。

圖5 3#試樣拉伸斷口的電子掃描圖像Fig.5 SEM image of tensile fracture of sample 3#

3 結(jié) 論

1)冷拔態(tài)TC4鈦合金絲材的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)連續(xù)屈服特征，無(wú)明顯的“屈服降”現(xiàn)象，屈服強(qiáng)度為865.4 MPa，抗拉強(qiáng)度為1 060.1 MPa，伸長(zhǎng)率為9.5%。

2)隨退火溫度升高，TC4鈦合金絲材的加工硬化率由連續(xù)下降轉(zhuǎn)變?yōu)榕_(tái)階式下降，其下降趨勢(shì)變緩。

3)退火溫度為400 ℃時(shí)，TC4鈦合金絲材的抗拉強(qiáng)度最高，為1 085.6 MPa；退火溫度為600 ℃時(shí)，TC4鈦合金絲材的加工硬化能力最強(qiáng)，塑性最好，其伸長(zhǎng)率為11.3%。