鈦合金材料室溫拉伸試驗(yàn)影響因素的研究

盛耀戈 管紅亮 賈贄碩 張帥

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川 德陽 618000)

鈦合金是航空航天工業(yè)中使用的一種新的重要結(jié)構(gòu)材料，比重、強(qiáng)度和使用溫度介于鋁和鋼之間，強(qiáng)度高并具有優(yōu)異的抗海水腐蝕性能和超低溫性能，因此鈦合金主要用于制作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部件，其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件。目前我實(shí)驗(yàn)室主要檢測的鈦合金材料有TA15、TC21、TC18、TC4-DT等，實(shí)驗(yàn)室通過試驗(yàn)分析，研究對(duì)比同種材料不同設(shè)備、取樣位置和方向、拉伸速率、控制方式、試樣平行長度段、加工方式對(duì)鈦合金材料室溫拉伸性能的影響，找出室溫拉伸試驗(yàn)中影響鈦合金室溫拉伸性能的主要因素。

1 試驗(yàn)方法

主要以鈦合金TA15、TC21、TC18、TC4-DT為試驗(yàn)材料，針對(duì)每種影響鈦合金材料室溫拉伸試驗(yàn)因素，選取不同材料的拉伸試樣進(jìn)行試驗(yàn)。

(1)不同試驗(yàn)設(shè)備的夾具裝夾方式，以及設(shè)備的校準(zhǔn)精度不同，可能影響試驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)室使用鈦合金材料作為拉伸性能的比對(duì)，每臺(tái)試驗(yàn)機(jī)所使用的夾具均為螺紋裝夾方式，采用的TA15均為?5 mm試樣，控制方式為應(yīng)變速率控制方法，屈服前拉伸速率0.00025 s-1，屈服后拉伸速率4.5 mm/min，每臺(tái)試驗(yàn)機(jī)取試100件試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，每臺(tái)設(shè)備測試結(jié)果的平均值見表1。

表1 TA15 不同設(shè)備測試結(jié)果

(2)根據(jù)客戶與標(biāo)準(zhǔn)要求，實(shí)驗(yàn)室所采用的拉伸速率控制方式主要有應(yīng)變速率控制方式與位移速率控制方式，針對(duì)不同的控制方式，實(shí)驗(yàn)室取試TC18、TC21各100件試樣在電子拉伸試驗(yàn)機(jī)Z400上進(jìn)行試驗(yàn)，以下所有的試驗(yàn)均在該設(shè)備上進(jìn)行，兩種材料測試結(jié)果的平均值見表2，不同的應(yīng)變速率也會(huì)影響鈦合金的力學(xué)性能，針對(duì)不同的拉伸速率，實(shí)驗(yàn)室取試TC18、TC21各100件、TC4-DT 15件進(jìn)行試驗(yàn)，測試結(jié)果的平均值見表3。

表2 鈦合金不同控制方式測試結(jié)果

表3 鈦合金不同拉伸速率測試結(jié)果

(3)鈦合金材料的取樣位置不同，其力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果相差較大，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響較大，實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)計(jì)了兩次取試結(jié)果的合格率，第二次取試的結(jié)果合格率達(dá)到98%，TC18與TC21不同取樣位置各取試20件進(jìn)行試驗(yàn)，測試結(jié)果的平均值見表4。

表4 鈦合金不同位置測試結(jié)果

(4)取樣方向不同，鈦合金的力學(xué)性能結(jié)果差異較大，實(shí)驗(yàn)室就TC18、TC21的不同取樣方向各取試100件進(jìn)行試驗(yàn)，TC21與TC18不同取樣方向測試結(jié)果的平均值見表5。

表5 鈦合金不同取樣方向測試結(jié)果

(5)試樣的尺寸、試樣的平行長度段不同、其力學(xué)性能有所差異，小截面試樣?5 mm試樣的加工圖紙見圖1～2，針對(duì)不同平行長度的鈦合金試樣，實(shí)驗(yàn)室各取試100件TC21進(jìn)行試驗(yàn)，測試結(jié)果的平均值見表6。

表6 TC21不同平行長度斷測試結(jié)果

圖1 平行長度段35 mm 拉伸試樣

(6)車床(未加乳化液)與車床(加乳化液)不同加工方式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，針對(duì)兩種不同的加工方式，試驗(yàn)室各取試10件TC18鈦合金試樣進(jìn)行試驗(yàn)，測試結(jié)果見圖3。

圖2 平行長度段38 mm拉伸試樣

(a)屈服強(qiáng)度

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)設(shè)備的影響

通過表1三臺(tái)試驗(yàn)機(jī)的測試結(jié)果差異可以看出，三臺(tái)試驗(yàn)機(jī)所得到的測試結(jié)果偏差較小，其中屈服強(qiáng)度的偏差約在9 MPa左右，抗拉強(qiáng)度的偏差約在2 MPa左右，延伸率的偏差約在1.0%，斷面收縮率的偏差約為2.3%左右，說明并不是Z400得到的測試結(jié)果較其它兩臺(tái)試驗(yàn)機(jī)高。實(shí)驗(yàn)室的拉伸試驗(yàn)機(jī)均經(jīng)過力值、同軸度、橫梁位移、橫梁速率等的校準(zhǔn)，其中Z400拉伸試驗(yàn)機(jī)力值的相對(duì)誤差為0.30%，UTM 5305拉伸試驗(yàn)機(jī)力值相對(duì)誤差0.11%，CMT 5305拉伸試驗(yàn)機(jī)力值相對(duì)誤差0.28%，通過試驗(yàn)機(jī)力值校準(zhǔn)的結(jié)果來看，三臺(tái)試驗(yàn)機(jī)力值相對(duì)誤差差別不大，三臺(tái)拉伸試驗(yàn)機(jī)力值均滿足ASTM E4-2021《試驗(yàn)機(jī)的力校準(zhǔn)與驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程》中±0.5%要求，同軸度滿足ASTM E1012-2019《拉壓軸向負(fù)荷下試驗(yàn)架與試樣同軸度校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)方法》中5%要求，證明拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)TA15、TC18與TC21等鈦合金材料的影響并非主要因素。

2.2 拉伸控制方式的影響

從表3可以看出，對(duì)TC4-DT材料，三種拉伸速率得到的測試結(jié)果偏差較小，拉伸速率對(duì)其力學(xué)性能的影響較小，其中屈服強(qiáng)度的偏差約在7 MPa左右，抗拉強(qiáng)度的偏差約在5 MPa左右，斷后伸長率的偏差約在1.2%，斷面收縮率的偏差約為2%左右。

從表3還可以看出，對(duì)于鈦合金TC18、TC21，采用應(yīng)變速率A1(0.00025 s-1)控制方式得到的強(qiáng)度測試結(jié)果比應(yīng)變速率控制A2(0.00008 s-1)的測試結(jié)果高1～2 MPa左右，而兩種控制方式對(duì)鈦合金的塑性無影響；采用國標(biāo)GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn)：第1部分 室溫試驗(yàn)方法》推薦的應(yīng)變速率0.00025 s-1得到的強(qiáng)度測試結(jié)果比美標(biāo)ASTM E8/E8M-2021《金屬材料拉伸試驗(yàn)方法》要求的拉伸速率0.00008 s-1得到的測試結(jié)果高4～5 MPa左右，而兩種拉伸速率對(duì)鈦合金的塑性無影響；對(duì)于兩種控制方式與不同的拉伸速率所產(chǎn)生的4～5 MPa的偏差是可接受的范圍偏差，因此不同的拉伸速率對(duì)鈦合金TC21、TC18力學(xué)性能基本無影響[1]，證明不同的控制方式與不同拉伸速率不是影響鈦合金的力學(xué)性能的主要因素。

2.3 取樣位置的影響

從表4對(duì)比鈦合金TC21、TC18合格與不合格的拉伸測試數(shù)據(jù)及兩次測試的取樣位置來看，鈦合金不同取樣位置力學(xué)性能差異較大，靠近邊緣位置強(qiáng)度偏小，試樣取試位置的示意圖見圖4，造成兩次測試結(jié)果差異懸殊的主要原因是由于鍛件在軋制或鍛造過程中，金屬沿主加工變形方向流動(dòng)，晶粒被拉長，其他的夾雜物質(zhì)同時(shí)也向主加工變形方向排列，造成金屬材料在冷熱加工變形過程中材料內(nèi)部的各種缺陷和金屬組織不均勻，使得其變形量不均勻[2]，因此在不同位置取樣時(shí)，產(chǎn)品的力學(xué)性能存在差異，證明取樣位置是影響鈦合金力學(xué)性能的主要因素。TC21兩次測試試樣的組織見圖5～圖6。

圖4 試樣取試位置

(a)

圖6 第二次取樣位置時(shí)試樣組織

從圖5～圖6可以看出，當(dāng)取樣位置靠近邊緣位置時(shí)，TC21鈦合金組織呈魏氏組織，由于β晶粒長大，晶界析出連續(xù)α相，導(dǎo)致試樣強(qiáng)度偏低，力學(xué)性能指標(biāo)不合格，當(dāng)取試位置靠近試樣中間位置時(shí)，TC21的兩相鈦合金在β轉(zhuǎn)變溫度附近變形，或在β相區(qū)開始變形，在兩相區(qū)終止變形，形成網(wǎng)籃組織，導(dǎo)致原始β晶粒在變形中被破壞，金相α相發(fā)生扭轉(zhuǎn)或球化，呈鏈狀分布，原始β晶粒輪廓內(nèi)部為α片，相互交叉分布，編織成網(wǎng)籃狀，從而使得試樣強(qiáng)度及塑性均有明顯的升高[3]。證明取樣位置是影響鈦合金力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。

2.4 取樣方向的影響

通過表5可以看出，鈦合金TC21與TC18的縱向性能優(yōu)于橫向與高向性能，主要原因是鍛件在加工過程中一般采用壓力加工，壓力加工時(shí)材料的晶粒和夾雜物沿主變形方向流動(dòng)，形成金屬纖維組織，使得鈦合金材料性能產(chǎn)生各向異性，除此之外，冷加工成型過程中會(huì)形成織構(gòu)與殘余應(yīng)力，造成其性能產(chǎn)生各向異性。一般在平行于軋制方向鈦合金材料的力學(xué)性能良好，垂直于軋制方向，其力學(xué)性能較差[2]。

2.5 試樣尺寸的影響

試樣的尺寸的大小對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響是，同一材料同一狀態(tài)的試樣，大橫截面積的試樣的抗拉強(qiáng)度較小尺寸的低，而且塑性指標(biāo)也下降，主要原因是由于在試樣的實(shí)際加工過程中，由于機(jī)床和刀具的原因無法保證試樣的平行長度范圍的寬度與直徑處處均勻，造成形狀偏差，使得試樣的工作部分軸線與夾頭部分的軸線不同軸，使試樣在拉伸過程中產(chǎn)生偏心力，產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力，使強(qiáng)度與延伸率均降低[2,4]，但目前試驗(yàn)室所加工的鈦合金試樣均為小尺寸試樣且鈦合金屬于連續(xù)屈服的材料，因此消除了試樣尺寸的大小對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，通過表6可以看出，38 mm試樣的平行長度的斷后伸長率較35 mm的測試結(jié)果高0.2%左右，可以忽略，因此試樣尺寸對(duì)鈦合金力學(xué)性能的影響是可以忽略的，證明試樣尺寸不是影響試驗(yàn)室鈦合金性能差異的主要因素。

2.6 試樣加工方式的影響

從樣坯機(jī)加工成試樣，一般通過車、銑、刨、磨等機(jī)加工，但車削、切削和磨削的深度和進(jìn)給速度及潤滑冷卻均會(huì)對(duì)材料的力學(xué)性能產(chǎn)生影響，如果使用含氫的切削液，由于鈦合金的彈性模量小，工件在加工中的夾緊變形和受力變形大，會(huì)降低工件的加工精度，切削過程中在高溫下將分解釋放出氫氣，被鈦吸收引起氫脆；也可能引起鈦合金高溫應(yīng)力腐蝕開裂[2,4]。在加工過程中，進(jìn)刀量較大造成試樣表面產(chǎn)生過熱，導(dǎo)致其強(qiáng)度偏高，斷后伸長率和斷面收縮率偏高，差異見圖3，證明加工方式是影響鈦合金性能的主要因素。對(duì)于鈦合金材料一定要固化加工工藝，在金屬塑性加工過程中正向加載引起的塑性形變強(qiáng)化導(dǎo)致金屬材料塑性形變軟化(屈服極限降低)的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象是包辛格(J.Bauschinger)在金屬材料的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的。

3 結(jié)論

(1)試驗(yàn)設(shè)備只要滿足校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)要求的1級(jí)或更高等級(jí)的要求，試驗(yàn)設(shè)備對(duì)鈦合金力學(xué)性能測試結(jié)果的影響是可以忽略的。試驗(yàn)機(jī)每年通過校準(zhǔn)試驗(yàn)機(jī)力值傳感器、試驗(yàn)機(jī)同軸度、橫梁位移、橫梁速率保證試驗(yàn)機(jī)的精度滿足試驗(yàn)要求，在裝夾試樣時(shí)保證試樣的同軸度及試樣在拉伸過程中應(yīng)力集中在一條直線上，使用引伸計(jì)測量在測量試樣的變形時(shí)，引伸計(jì)刀刃垂直試樣安裝，防止引伸計(jì)出現(xiàn)打滑造成試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)偏差。

(2)試驗(yàn)的拉伸速率與拉伸控制方式按照標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)置，且滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允差范圍，試樣尺寸按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加工，試樣偏差與粗糙度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，則試驗(yàn)拉伸控制方式與拉伸速率、試樣尺寸及平行長度段的大小對(duì)鈦合金力學(xué)性能測試結(jié)果的影響是可以忽略的。

(3)取樣位置、方向與加工方式是影響鈦合金力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。在取樣的過程中，應(yīng)按照用戶的要求在試驗(yàn)前選取正確的取樣位置和方向、固化加工工藝，控制加工每一工序進(jìn)刀量的大小和設(shè)備轉(zhuǎn)速快慢，避免加工硬化，消除包辛格效應(yīng)，保證拉伸強(qiáng)度和塑性指標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)果的穩(wěn)定性。