TC4鈦合金板材高溫熱拉伸性能的研究

丁嘉健 劉家和 楊展銘 席彬彬

摘? 要：采用了Gleeble 3800熱模擬機，對TC4鈦合金進行了等溫拉伸實驗，研究了TC4鈦合金在溫度為20℃，300℃，600℃，700℃，800℃，應變速率在0.004s-1條件下的高溫拉伸變形情況。

關鍵詞：TC4鈦合金;熱拉伸;塑性

中圖分類號：TG306? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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，其綜合性能優良，常作為重要零部件應用于航空、航天等領域[1-2]。在鈦合金的應用中，板料成形尤其是薄板成形一直是成形領域的難點。鈦合金材料的屈強比高，板材室溫下塑性變形范圍窄小，成形困難，回彈嚴重，薄板成形的難度更大，所以一般需要采用熱成形加工[3-5]。

國外學者對TC4鈦合金板料在高溫下深拉深的失效和成形性進行了研究，發現失效部位發生在成形零件的頸部和壁部，同時指出鈦合金很難在室溫到150℃范圍內拉深，最大拉深比在400℃下達到1.8，但是仍然比其他結構的合金小，受設備因素，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，為實際生產和科學研究提供參考。

1 實驗

1.1 實驗材料

實驗材料采用高強度TC4鈦合金板料，厚度為0.8mm。室溫下抗拉強度1100MPa左右，延伸率δ5為10%。化學成分見表1。

1.2 實驗設備及方法

實驗用式樣尺寸具體參數如圖1所示，使用的設備為Gleeble-3800熱力模擬壓力機。Gleeble熱力模擬試驗機是一種物理模擬試驗裝置，在物理模擬中利用小試樣在試驗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律，為制定合理的加工工藝以及研制新材料提供理論指導和技術依據。

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熱模擬機上進行高溫拉伸實驗。然后熱模擬機以2℃/s的速度加熱至測試溫度，并保溫30min讓試樣內部的溫度均勻，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℃，應變速率為0.004s-1，標距為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的拉伸應力獲得接近0.1的應變;在溫度達到300℃時，950Mp左右的應力可以獲得0.1的應變;在溫度超過600℃時，塑性明顯改善，不到600Mp的拉應力條件就可以獲得接近0.1的應變;在溫度達到700℃時，400Mp的應力就可以獲得0.1的應變;在800℃的情況下，TC4板件的塑性已經非常優良，不到100Mp就可以獲得0.1的應變。金屬材料的塑性變形是通過滑移和孿生進行的，塑性變形中位錯密度的升高導致了加工硬化的出現，位錯密度越大導致了塑性變形越難進行，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，位錯的運動能力得以改善，這都使材料塑性改善，同時在高溫區間，晶界滑移和擴散蠕變使塑性進一步改善。

而當溫度上升到800℃時，在實驗的拉伸條件下，晶界滑移和擴散蠕變開始變得明顯，因而斷面組織晶粒界面不清晰。

3 結論

（1）TC4鈦合金是一種強度很高的材料，在室溫和低于500℃以內的溫度時，塑性成形性能差。

（2）當溫度超過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的應變。

（3）在700℃左右的溫度，進行塑性變形，TC4鈦合金會出現再結晶現象，有利于材料的組織與性能優化，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。

參考文獻：

[1]馮穎芳.世界鈦及鈦合金的應用研究進展[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狀[J].航空材料學報，2003，23（s1）：215-219.

[3]郭天文.TC4鈦合金板材熱拉深成形數值模擬與試驗研究[D].哈爾濱工業大學，2008.

[4]陳志英.鈦合金冷拉深工藝初探[J].航空精密制造技術，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.