TC4鈦合金室溫沖擊國、美標(biāo)檢測(cè)結(jié)果差異

王冠軍 董曉鋒 楊再江 楊學(xué)新 岳旭 黨鵬

（新疆湘潤新材料科技有限公司，新疆哈密 839100）

鈦及鈦合金因具有比強(qiáng)度高、耐熱性好、抗腐蝕性好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于化工、航空航天、汽車船舶及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。其中TC4 鈦合金被應(yīng)用最廣泛之一，但是由于TC4 鈦合金的抗沖擊韌性差嚴(yán)重限制了其更廣泛的應(yīng)用。在生產(chǎn)過程中室溫力學(xué)性能、硬度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，而沖擊韌性值卻較低甚至不合，影響沖擊韌性的因素較多，許多報(bào)道大多都從工藝、熱處理制度去分析，而從試驗(yàn)方法分析報(bào)道的卻甚少。到底從檢測(cè)方法上國標(biāo)、美標(biāo)檢測(cè)對(duì)TC4 鈦合金的沖擊性能有何影響，下面我們將使用常規(guī)工藝加工的TC4 鈦合金從試驗(yàn)的角度來分析國、美標(biāo)沖擊試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果的差異。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為TC4 鈦合金鍛件，經(jīng)過多次鍛造加工成200 mm*500 mm*500 mm的鈦方塊，用金相法測(cè)定鑄錠的相變點(diǎn)為985～995℃。在鍛件上按照取樣規(guī)則切去相應(yīng)的幾何試樣，按照ASTM E8/E8M 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)加工成E8 試樣來測(cè)試室溫力學(xué)性能，顯微組織按GB/T 5168-2020 制樣進(jìn)行檢驗(yàn)，顯微組織如圖1 所示，是α+β 相組成的等軸組織。其化學(xué)成分為6.2%Al、3.98%V、0.08%Fe、0.12%O、Ti余量，室溫拉伸性能為抗拉強(qiáng)度（Rm）為979 MPa、屈服強(qiáng)度（Rp0.2）為886 MPa、斷后伸長率（A）為18%、斷面收縮率（Z）為45%。

圖1 TC4鈦合金顯微組織

2 試驗(yàn)方法

沖擊試驗(yàn)分別按照GB/T 229-2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》和ASTM E23-2018《金屬材料缺口試樣標(biāo)準(zhǔn)沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行，為了便于比較，試樣統(tǒng)一選用標(biāo)準(zhǔn)試樣：55mm*10mm*10mm，V 型缺口試樣，如圖2 所示。尺寸偏差以國標(biāo)為準(zhǔn)，每組試樣3件，在室溫條件下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

圖2 V型缺口試樣

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

沖擊試驗(yàn)在型號(hào)為：ZBC2302-BE 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，量程為300J。試驗(yàn)機(jī)經(jīng)鋼研納克技術(shù)檢測(cè)股份有限公司校準(zhǔn)，同時(shí)滿足國標(biāo)和美標(biāo)夏比沖擊試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)機(jī)的要求，GB/T 229-2020 標(biāo)準(zhǔn)采用擺錘打擊刀刃半徑為2mm；ASTM E23-2018 標(biāo)準(zhǔn)采用擺錘打擊刀刃半徑為8mm。

2.2 試樣尺寸

由表1 可知：ASTM E23-2018《金屬材料缺口試樣標(biāo)準(zhǔn)沖擊試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)的V 型沖擊試驗(yàn)樣和GB/T 229-2020 標(biāo)準(zhǔn)的夏比V 型試樣的公稱尺寸相同，兩者區(qū)別主要為機(jī)加工偏差，對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)機(jī)加工偏差的要求存在重疊區(qū)，也就是說，在一定范圍內(nèi)的加工偏差既可以滿足國標(biāo)要求，也可以滿足美標(biāo)要求。

表1 試樣的尺寸與偏差

表2 試驗(yàn)結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：TC4 鈦合金室溫沖擊結(jié)果GB/T 229-2020和ASTM E23-2018檢測(cè)結(jié)果基本相近。

3.2 分析討論

影響沖擊試驗(yàn)結(jié)果的因素很多，有環(huán)境溫度、試樣尺寸及偏差、試樣缺口的幾何形狀、試樣制備過程、材料特質(zhì)、試驗(yàn)機(jī)參數(shù)等。環(huán)境溫度：國標(biāo)對(duì)環(huán)境溫度的要求23±5 ℃，美標(biāo)對(duì)環(huán)境溫度的要求20±5 ℃，本次沖擊試驗(yàn)環(huán)境溫度為23℃，滿足兩項(xiàng)要求。試樣尺寸及偏差：試驗(yàn)采用的試樣，試樣尺寸及偏差、試樣缺口的幾何形狀、試樣制備過程均相同。材料特質(zhì)：試樣材料為TC4 鈦合金，材料的組織成份均勻，性能穩(wěn)定。試驗(yàn)機(jī)參數(shù)：ZBC2302-BE 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)量程為300J，分辨率為0.1J，擺錘仰角、打擊速度、擺錘重量及支座間距均相同，唯一不同的是國標(biāo)采用的擺錘打擊刀刃半徑為2mm，美標(biāo)采用的擺錘打擊刀刃為半徑為8mm。

4 結(jié)論

（1）GB/T 229-2020和ASTM E23-2018 兩者在檢測(cè)方法上最主要的區(qū)別是：擺錘打擊刀刃半徑不同，國標(biāo)采用的擺錘打擊刀刃半徑為2mm，美標(biāo)采用的擺錘打擊刀刃為半徑為8mm。

（2）TC4 鈦合金室溫沖擊性能，按照GB/T 229-2020 和ASTM E23-2018 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果相近。是因?yàn)樵摬牧蟃C4 鈦合金顯微組織是α+β 相形成的等軸組織，其初生α 含量超過50%，次生α 呈短棒狀錯(cuò)綜分布這一組織特性導(dǎo)致其室溫環(huán)境中韌性中等偏低，擺錘刀刃在試樣上作用面積的大小對(duì)試樣消耗在彈性變形和塑性變形階段能量大小的影響減小，所以美標(biāo)KV8 值和國標(biāo)KV2 值相差不大。這與孫紹廣等人發(fā)表的不同擺錘刀刃對(duì)沖擊試驗(yàn)的影響，在低能量范圍采用8mm 擺錘刀刃和2mm 擺錘刀刃測(cè)試得到的沖擊吸收能量結(jié)果基本相近相符合。說明TC4 鈦合金沖擊韌性在檢測(cè)方法上對(duì)其性能影響不明顯。