TC4鈦合金棒材室溫拉伸強(qiáng)度偏低的原因

王 萱, 劉宏偉, 趙 輝, 李 超, 徐軍梅, 李貞婷

(1.寶雞鈦業(yè)股份有限公司, 寶雞 721014； 2.陜西億創(chuàng)鈦鋯檢測有限公司, 西安 710003)

TC4鈦合金是一種中等強(qiáng)度的鈦合金，因其塑性變形能力強(qiáng)、耐蝕性好、比強(qiáng)度高、鈍化能力強(qiáng)以及550 ℃以下抗氧化性能好等特點(diǎn)，被稱為“萬能合金”[1-2]，廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)及化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域[3-5]。然而，TC4鈦合金屈服極限高、變形抗力大和屈服強(qiáng)度與極限強(qiáng)度比值高等成為限制其塑性變形能力提高的主要原因[1]。呂鋼等[6]研究了熱循環(huán)對(duì)TC4鈦合金在室溫和低溫條件下拉伸性能的影響，結(jié)果表明隨熱循環(huán)次數(shù)的增加，TC4合金抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度提高，延伸率略有升高。經(jīng)500次循環(huán)后在78 K進(jìn)行拉伸時(shí)，試樣的延伸率顯著上升且伴有拉伸應(yīng)力躍升的現(xiàn)象。高禹等[7]研究了不同時(shí)效狀態(tài)TC4鈦合金在77～300 K溫度區(qū)間內(nèi)的拉伸性能，結(jié)果表明隨著試驗(yàn)溫度的降低, 拉伸斷口附近位錯(cuò)分布不均勻性逐漸增大。丁嘉健等[8]研究了TC4鈦合金在20，300，600，700，800 ℃時(shí)的拉伸性能，結(jié)果表明溫度低于500 ℃時(shí)，TC4鈦合金的塑性較差，溫度高于600 ℃時(shí)，TC4鈦合金的塑性較好。材料的成分、組織、熱處理工藝與性能之間的關(guān)系是密不可分的，以上研究僅側(cè)重于試驗(yàn)溫度對(duì)TC4鈦合金塑性的影響。

通過室溫拉伸試驗(yàn)測得的R12型TC4合金棒材的強(qiáng)度偏低。筆者在以往研究的基礎(chǔ)上，通過布氏硬度分析、化學(xué)成分分析、顯微組織觀察和拉伸試驗(yàn)參數(shù)影響分析，分析了R12型TC4合金棒材拉伸強(qiáng)度偏低的原因。

1 室溫拉伸性能

采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)，對(duì)R12型TC4鈦合金棒材(記為R12-TC4)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為25 ℃，試樣尺寸見圖1。參照ASTM E8/E8M-2016aStandardTestMethodsforTensionTestingofMetallicMaterials的拉伸試驗(yàn)方法，屈服前拉伸速度為0.005 mm/min，屈服后為8 mm/min，設(shè)置兩個(gè)平行試樣，分別記為R12-TC4-1和R12-TC4-2，其軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。Rm為抗拉強(qiáng)度、Rp0.2為屈服強(qiáng)度、A為斷后伸長率、Z為斷面收縮率。

圖1 R12-TC4鈦合金的拉伸試樣尺寸Fig.1 Tensile sample size of R12-TC4 titanium alloy

圖2 不同R12-TC4鈦合金試樣的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Axial stress-strain curve of different R12-TC4 titanium alloy samples

R12-TC4鈦合金的拉伸性能如表1所示，可以看出R12-TC4-1與R12-TC4-2試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均低于標(biāo)準(zhǔn)值，而其斷后延伸率和斷面收縮率均高于SAE AMS 4928R-2007TitaniumAlloyBars,Wire,Forgings,andRings,andDrawnShapes6Al4VAnnealed標(biāo)準(zhǔn)值，即R12-TC4-1與R12-TC4-2試樣的拉伸性能均不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 R12-TC4鈦合金的拉伸性能Tab.1 Tensile properties of R12-TC4 titanium alloy

2 試驗(yàn)方法

2.1 布氏硬度檢測

由于材料硬度與抗拉強(qiáng)度之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系[9-10]，且特別適用于晶粒粗大的金屬材料[11-12]。因此采用HB3000C型布氏硬度計(jì)對(duì)合金進(jìn)行硬度測量，試驗(yàn)方法按照GB/T 231.1-2018《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第一部分：試驗(yàn)方法》。R12-TC4鈦合金布氏硬度通常在330 HB左右。對(duì)直徑為10 mm的R12-TC4鈦合金球施加29.4 kN的試驗(yàn)力，使壓頭壓入試樣表面，保持30 s后，去除試驗(yàn)力，測量試樣表面的壓痕直徑。

2.2 化學(xué)成分分析

根據(jù)ASTM E2371-2013StandardTestMethodForAnalysisofTitaniumAndTitaniumAlloysByDirectCurrentPlasmaAndInductivelyCoupledPlasmaAtomicEmissionSpectrometry(Performance-BasedTestMethodology), ASTM E1409-2013StandardTestMethodforDeterminationofOxygenandNitrogeninTitaniumandTitaniumAlloysbyInertGasFusion, ASTM E1447-2009StandardTestMethodforDeterminationofHydrogeninTitaniumandTitaniumAlloysbyInertGasFusionThermalConductivity/InfraredDetectionMethod, ASTM E1941-2010StandardTestMethodforDeterminationofCarboninRefractoryandReactiveMetalsandTheirAlloysbyCombustionAnalysis，測定R12-TC4鈦合金的化學(xué)成分。

采用OPTIMA-4300V型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(美國PE公司)和LECO公司的氣體元素分析儀對(duì)試樣的化學(xué)成分進(jìn)行測量。將0.1 g試樣溶解于由5 mL H2O+2 mL氫氟酸+1 mL硝酸配制而成的溶液中，正常溶解時(shí)不用加熱，完全溶解后將溶液轉(zhuǎn)移至100 mL塑料容量瓶中定容、搖勻，再進(jìn)行測量。碳的測量：將0.3 g屑狀試樣與1 g銅屑(助熔劑)置于瓷坩堝中，分析時(shí)間為35 s。氧、氮的測量：將0.1 g塊狀試樣與鎳籃(助熔劑)置于石墨坩堝中，脫氣功率為5 500 W，分析功率為5 000 W，氧的分析時(shí)間為40 s，氮的分析時(shí)間為60 s。氫的測量：將0.15 g試樣加入1 g錫片(助熔劑)中，脫氣功率為3 500 W，分析功率為3 200 W，分析時(shí)間為60 s。

2.3 合金型號(hào)對(duì)比分析

參照ISO-6892-1-2016 《金屬材料-拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫測試方法 》，屈服前拉伸速度為0.005 mm/min，屈服后為8 mm/min。為排除拉伸試驗(yàn)參數(shù)的影響，選用R7型TC4鈦合金(記為R7-TC4)作為對(duì)比試樣，分析合金型號(hào)TC4鈦合金拉伸性能的影響。R7-TC4鈦合金的拉伸試樣尺寸如圖3所示。

圖3 R7-TC4鈦合金的拉伸試樣尺寸Fig.3 Tensile sample size of R7-TC4 titanium alloy

2.4 顯微組織觀察

顯微組織分析是金屬材料試驗(yàn)研究的重要內(nèi)容之一，能夠采用定量金相學(xué)原理，測量和計(jì)算合金組織的三維空間形貌，建立合金成分、組織和性能間的定量關(guān)系。具有精度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，可大大提高工作效率[13-14]。

通過不同處理工藝，TC4 鈦合金可以獲得馬氏體組織、粗大網(wǎng)籃組織、針狀組織、魏氏組織、蠕蟲狀組織和等軸α組織+塊狀雙態(tài)組織。其中，等軸α組織+塊狀雙態(tài)組織的塑性好于其它組織[15]。采用Zeiss Axiovert 200MAT型金相顯微鏡對(duì)拉伸性能偏低的試樣和拉伸性能正常的試樣進(jìn)行觀察，根據(jù)SAE AMS 2643E：2012StructuralExaminationofTitaniumAlloysChemicalEtchInspectionProcedure，將試樣進(jìn)行逐級(jí)打磨、拋光、浸蝕后，用酒精清洗并吹干后待用，浸蝕溶液由5%(體積分?jǐn)?shù))HF+12%(體積分?jǐn)?shù))HNO3+80%(體積分?jǐn)?shù))H2O配置而成。

3 結(jié)果與討論

3.1 布氏硬度試驗(yàn)

測得R12-TC4-1試樣的布氏硬度平均值為287.2 HB，TC4-2試樣的布氏硬度平均值為288.8 HB，其測量結(jié)果均低于正常值(330 HB)；抗拉強(qiáng)度Rm與布氏硬度HB之間存在強(qiáng)相關(guān)性[16]，即Rm/HB≈3.19。因此，R12-TC4-1和R12-TC4-2試樣的抗拉強(qiáng)度分別應(yīng)為916.17 MPa和921.27 MPa。對(duì)比表1中的抗拉強(qiáng)度，通過布氏硬度推測出的抗拉強(qiáng)度與實(shí)測抗拉強(qiáng)度相差不大，因此排除人為因素影響。

3.2 化學(xué)成分分析

參照GB/T 3620.1-2007《鈦及鈦合金牌號(hào)和化學(xué)成分》，由表2可見，R12-TC4鈦合金的化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。

表2 R12-TC4鈦合金的化學(xué)成分Tab.2 Chemical compositions of R12-TC4 titanium alloy

3.3 合金型號(hào)對(duì)TC4鈦合金拉伸性能的影響

R7-TC4鈦合金的拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表3，其軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。表3均為修約后數(shù)據(jù)，修約標(biāo)準(zhǔn)參考GB/T 8170-2008《數(shù)值修約規(guī)則與極限數(shù)值的表示和規(guī)定》。

表3 R7-TC4鈦合金的拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Tensile test results of R7-TC4 titanium alloys

圖4 R7-TC4鈦合金試樣的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Axial stress-strain curves of R7-TC4 titanium alloy samples

由表3和圖4可知，R7-TC4鈦合金的屈服強(qiáng)度均高于R12-TC4鈦合金，但其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均低于GB/T 13810-2007《外科植入物用鈦及鈦合金加工材》標(biāo)準(zhǔn)值，這是因?yàn)镽7-TC4鈦合金屈服前的拉伸速度較高，其屈服強(qiáng)度有所提高，但提高幅度有限，這不是造成TC4鈦合金拉伸強(qiáng)度偏低的主要原因。

3.4 顯微組織觀察

由圖5a)可知，拉伸性能不合格的R12-TC4鈦合金試樣的顯微組織為β轉(zhuǎn)變基體上的等軸狀α組織(初生α相)和短棒狀α組織(次生α相)，初生α相體積分?jǐn)?shù)在60%左右。R12-TC4鈦合金為α+β兩相鈦合金，初生α相對(duì)鈦合金的塑性影響較大，次生α相對(duì)鈦合金的強(qiáng)度影響較大[17]。根據(jù)GB/T 6611-2008 《鈦及鈦合金術(shù)語和金相圖譜》，在加熱到高于α+β兩相共存區(qū)溫度后以一定的速率冷卻，或在高于α+β兩相共存區(qū)溫度變形，均可形成這種組織。在兩相區(qū)較低溫度加熱時(shí)，組織中保留了大量初生α相，空冷后為初生α相+少量β相。當(dāng)次生α相寬度增加時(shí)，R12-TC4鈦合金的強(qiáng)度降低，塑性增加，隨著R12-TC4鈦合金中初生α相含量的降低，其拉伸強(qiáng)度有所提高，隨著冷卻速率的加快，其強(qiáng)度逐漸提高。因?yàn)椋琑12-TC4鈦合金熱處理工藝中冷卻方式為爐冷，冷卻速度較慢，導(dǎo)致其初生α相含量升高，且出現(xiàn)了少量較寬的短棒狀次生α相，這是R12-TC4鈦合金拉伸性能偏低的主要原因。

圖5 拉伸性能合格與不合格R12-TC4鈦合金試樣的顯微組織Fig.5 Microstructure of R12-TC4 titanium alloy samples with unqualified a) and qualified b) tensile properties

拉伸性能合格的R12-TC4鈦合金試樣的抗拉強(qiáng)度為980 MPa，屈服強(qiáng)度為895 MPa，斷后伸長率為19%，斷面收縮率為42%。由圖5b)可知，拉伸性能合格的R12-TC4鈦合金試樣的顯微組織中細(xì)條狀初生α相體積分?jǐn)?shù)在40%左右。對(duì)比圖5a)可知，隨著初生α相含量的下降和次生α相寬度的減小，R12-TC4鈦合金的強(qiáng)度增加，塑性無明顯變化。

4 結(jié)論

(1) R12型TC4鈦合金的布氏硬度與抗拉強(qiáng)度的實(shí)測值滿足Rm/HB≈3.19的關(guān)系，其化學(xué)成分符合技術(shù)要求。

(2) R12型TC4鈦合金棒材拉伸強(qiáng)度偏低與拉伸速度和試樣型號(hào)無明顯關(guān)系，其主要原因是其熱處理工藝中的冷卻方式為爐冷，冷卻速率較慢，導(dǎo)致其初生α相含量較多，且出現(xiàn)了少量較寬的短棒狀次生α相。