TC4鈦合金 （名義成分為Ti-6Al-4V）是一種典 型的 α＋β型兩相合金，其具有優(yōu)異的耐腐蝕性、強(qiáng)韌性以及高溫力學(xué)性能等眾多優(yōu)異特性，在航空發(fā)動機(jī)、海洋工程、化學(xué)工程等領(lǐng)域均得到了廣泛的 應(yīng)用，該合金也被稱為萬能鈦合金［１－２]。

TC4鈦合金的生產(chǎn)工藝主要有熔煉、鍛造、軋 制等，目前TC4鈦合金軋制板材的應(yīng)用十分廣 泛［３－４]。韓盈等［５]研究了軋制工藝對TC4鈦合金板材織構(gòu)演變及組織和性能的影響，研究表明：順向 軋制和換向軋制２種軋制工藝均會起到細(xì)化晶粒的 作用，其中，板材經(jīng)順向軋制后，微觀組織中存在 帶狀組織，α晶粒被拉長；板材經(jīng)換向軋制后，組 織中晶粒破碎得更加均勻，經(jīng)退火處理后，形成大 量等軸α晶粒；將２種軋制工藝進(jìn)行對比，板材經(jīng) 換向軋制后，其塑性較高，但強(qiáng)度較低。王偉等［６] 研究了軋制火次對EB熔煉 TC4鈦合金顯微組織、織 構(gòu)和力學(xué)性能的影響，研究表明：軋制火次的增加使 得鑄態(tài)組織中的原始粗大晶粒破碎，組織中的晶粒出 現(xiàn)等軸化，并有細(xì)小的等軸α相形成，其小角度晶界 增大，合金經(jīng)三火軋制后的小角度晶界增加了35.1％。

本文對不同軋制規(guī)格的TC4鈦合金板材進(jìn)行分 析和研究，探索出不同軋制厚度的TC4鈦合金板材 組織與力學(xué)性能的對應(yīng)關(guān)系，為實際生產(chǎn)提供參考。

1、試驗材料與方法

本試驗所選用的TC4鈦合金板坯的規(guī)格為 250mm×10mm×2000mm，通過隧道式天然氣加 熱爐和輥底式電阻爐升溫加熱保溫處理后，在溫度 為850～2020℃下，經(jīng) Ф900／Ф840mm×2450mm四 輥可逆式熱軋機(jī)四火次軋制，第１火次軋制為開坯 軋制，第 １～３火次的軋制厚度分別為50.0、6.0和 3.5MM，第４火次軋制為成品軋制，通過包覆疊軋 技術(shù)將厚度為3.5mm的半成品TC4鈦合金板材經(jīng) ３～９道次軋制為厚度為2.0、1.5、1.0和0.8mm 這4種規(guī)格的TC4鈦合金板材，再對其進(jìn)行780℃× 2h退火處理，其具體成分見表１。

TC4鈦合金板坯 的原始金相組織如圖１所示，其縱向與橫向組織均 為等軸組織，此組織以粗大初生α相 （α_ｐ）為主， 同時基體上存在細(xì)條狀的次生α相與由次生α相之 間的殘余 β相構(gòu)成的 β轉(zhuǎn)變組織 （β_T）。

TC4鈦合金板材相變點測試執(zhí)行GB/T 23605-2009 ［７]標(biāo)準(zhǔn)要求，使用金相法測得TC4鈦合金板材 的相變點為995～1000℃。再將4種規(guī)格的TC4鈦合金板材進(jìn)行切割加工，進(jìn)行金相組織與室溫拉伸 等性能測試。圖２為軋制TC4鈦合金板材的方向標(biāo) 記：軋制方向 （ＲD向） 和橫向 （TD向），其中， 圖 ２A為金相組織的取樣位置，圖 ２ｂ為拉伸試樣取 樣位置以及拉伸斷口觀察位置。使用OLYmPUS光 學(xué)顯微鏡觀察TC4鈦合金板材金相組織，TC4鈦 合金板材的室溫以及高溫拉伸測試使用INSTRON-5580萬能試驗機(jī)，使用 IMAgEpro５測量組織中晶 粒的直徑，使用QuANTA型掃描電鏡觀察拉伸斷口 的微觀 形 貌，每 次 測 試 取 ３組 試 樣，最 后 取 平 均值。

2、結(jié)果與討論

2.1 金相組織

圖３為不同規(guī)格TC4鈦合金板材的金相組織。

由圖３可得，經(jīng)軋制及退火后的TC4鈦合金板材組 織為α相與殘余β相組成的混合組織，不同厚度的TC4鈦合金板材的α相的形貌不同，呈現(xiàn)出線條狀、 等軸狀以及細(xì)小團(tuán)狀，殘余β相存在于各α相之 間。與原始TC4鈦合金板材相比，經(jīng)軋制退火后， TC4鈦合金的晶粒細(xì)化明顯，且存在明顯的軋制跡 象，這是由于TC4鈦合金板材的組織沒有產(chǎn)生完全 動態(tài)再結(jié)晶所致。在厚度為0.8、1.0和1.5mm的 C4鈦合金板材的ＲD向組織中有大小晶粒交替在 一起的帶狀組織，其中，厚度為1.0mm的TC4鈦 合金板材中帶狀組織最為明顯，這是因為：在軋制 過程中，TC4鈦合金板材的柱面和基面在進(jìn)行滑移 時，晶粒的排列取向不發(fā)生改變，僅會繞著 ｃ軸 （ｃ 軸為由 橫 向 （TD） 傾 向 法 向 （ND） 且 靠 近 法 向 （ND），產(chǎn)生較強(qiáng)的基面織構(gòu)）進(jìn)行轉(zhuǎn)動，但錐面滑移 與之不同，其會導(dǎo)致晶粒產(chǎn)生傾斜現(xiàn)象，而傾斜會使 組織中的晶粒產(chǎn)生再結(jié)晶或旋轉(zhuǎn)。而厚度為2.0mm的 TC4鈦合金板材中帶狀組織并不明顯，其α晶粒被明 顯拉長，呈長條狀且不均勻地分布在組織中。４種規(guī)格 的TC4鈦合金板材 TD向組織中均以細(xì)小的等軸α晶 粒為主，金相組織中并未發(fā)現(xiàn)明顯的帶狀結(jié)構(gòu)組織。

TC4鈦合金板材的 ＲD與 TD向組織中均存在大量 的細(xì)小 α晶粒，說明TC4鈦合金板材的受力狀態(tài)在軋 制過程中發(fā)生了改變，原始TC4鈦合金板坯中的晶粒 并非沿著某固定方向進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致形變區(qū)域的儲存 能以及位錯密度增加，為組織中晶粒的形核提供了大量 驅(qū)動能，導(dǎo)致TC4鈦合金板材在退火過程中容易產(chǎn)生再 結(jié)晶，使得組織中產(chǎn)生的大量的細(xì)小等軸 α晶粒［８]。這 與王牛俊等［９]對不同加工條件下TC4鈦合金板材組織的 研究結(jié)果一致，即軋制工藝對組織中的晶粒有細(xì)化作用。

2.2 拉伸性能

圖４為不同厚度TC4鈦合金板材的力學(xué)性能， 圖５為不同厚度TC4鈦合金板材拉伸過程中的工程 應(yīng)力－工程應(yīng)變曲線。由圖４和圖５可知，隨著厚度 的增加，TC4鈦合金板材強(qiáng)度總體呈現(xiàn)出先降低再 趨于穩(wěn)定的趨勢，而塑性呈現(xiàn)出先升高再趨于穩(wěn)定 的趨勢。不同規(guī)格TC4鈦合金板材的強(qiáng)度較低而塑 性較高，這是因為：退火會使板材在軋制過程中產(chǎn)生 加工硬化以及位錯密度降低的現(xiàn)象，從而使軋制應(yīng)力 得到充分釋放。當(dāng)厚度為0.8mm時，TC4鈦合金板 材的強(qiáng)度最大，最大抗拉強(qiáng)度RM為1075MPa、最大 屈服強(qiáng)度 ＲEL為1027MPa，而塑性方面，不同規(guī)格TC4 鈦合金板材的伸長率 A大致相同，最大值為17.5％。 TC4鈦合金板材在室溫拉伸過程中，當(dāng)拉應(yīng)力 沿界面擴(kuò)展遇阻礙時，微裂紋擴(kuò)展過程中形成的位 錯會在 α/β相界面上造成塞積，在位錯塞積力和裂 紋尖端作用力的共同作用下，α/β相的片層內(nèi)會有 微孔洞形成，此時微裂紋擴(kuò)展以微小孔聚合的方式 進(jìn)行，最終導(dǎo)致斷裂［１０]。而厚度為0.8mm的TC4 鈦合金板材的強(qiáng)度較大，這是由于TC4鈦合金板材 軋制過程中的變形量較大，內(nèi)部點陣畸變較大，形 成的儲存能更多，從而會有較多的再結(jié)晶形核位置， 晶粒更加細(xì)小，在拉伸過程中細(xì)小晶粒對位錯運動 的阻礙作用更強(qiáng)，位錯在細(xì)小晶粒區(qū)域被阻塞并形 成位錯塞積群，必須施加更大的外力才可使位錯再 次開動，導(dǎo)致TC4鈦合金板材的強(qiáng)度較高［11]。

由圖 ４可知，４種規(guī)格TC4鈦合金板材經(jīng)軋制 退火后沿 ＲD與 TD方向的強(qiáng)度與塑性均有一定差 值，其中0.8mm的TC4鈦合金板材最為明顯，其 抗拉強(qiáng)度RM的最大差值為33MPa，屈服強(qiáng)度 ＲEL 的最大差值為32MPa，而伸長率A幾乎相同，最大 值差值為3%，說明４種規(guī)格TC4鈦合金板材具有 一定程度的各向異性。

４種規(guī)格的TC4鈦合金板材沿 ＲD方向的抗拉 強(qiáng)度較高，同時還具有良好的塑性，主要是因為： 軋制導(dǎo)致晶粒細(xì)化，細(xì)小的晶粒會提高晶界總面積， 而晶界強(qiáng)度在室溫條件下大于晶內(nèi)強(qiáng)度，并能夠阻 礙位錯進(jìn)行滑移，進(jìn)而提高抗拉強(qiáng)度，在 TC4鈦合 金板材斷裂時會使裂紋擴(kuò)展方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，增加裂 紋擴(kuò)展路徑，使其伸長率升高。同時，TC4鈦合金 板材沿 ＲD方向的屈服強(qiáng)度低于 TD方向，這是由于 在進(jìn)行拉伸時，TC4鈦合金板材 ＲD方向的拉應(yīng)力 與 ｛０００１｝晶面形成較小的夾角，組織中滑移系容易開動，導(dǎo)致TC4鈦合金板材的屈服強(qiáng)度下降，隨后 在斷裂過程中會產(chǎn)生加工硬化和位錯交集現(xiàn)象，致使 TC4鈦合金板材具有較低屈服強(qiáng)度的同時具有較高的抗拉強(qiáng)度。在拉伸方向為TD向時，拉應(yīng) 力 與 ｛０００１｝晶面之間的夾角較大，滑移系難以開動，需 較大外力來開動滑移系，導(dǎo)致TC4鈦合金板材的屈服 強(qiáng)度增加，在發(fā)生屈服后，組織中更容易產(chǎn)生應(yīng)力集 中現(xiàn)象，導(dǎo)致TC4鈦合金板材的抗拉強(qiáng)度降低［１２－１３]。

2.3 斷口形貌

圖 ６為不同規(guī)格TC4鈦合金板材拉伸后的微觀 斷口形貌，其微觀斷口形貌大致相同，均以韌窩為 主，形貌均為等軸韌窩 （位置 A′），較大的韌窩中 有少量小韌窩分布其中，具有明顯的韌性斷裂特征， 宏觀表現(xiàn)為具有較大的伸長率。韌窩的形成是由于 合金內(nèi)部組織以等軸α相作為微孔形成的核心源， 隨后經(jīng)過微孔形核、長大以及聚合等方式使合金組 織有微裂紋產(chǎn)生并擴(kuò)散、斷裂，在微孔聚合長大過 程中韌窩逐漸長大［１４]。合金的塑性通常由韌窩的深 淺和大小決定，當(dāng)韌窩深且大時，合金具有良好的 塑性，當(dāng)韌窩淺且小時，合金的塑性較差。

當(dāng)TC4鈦合金板材厚度為0.8mm時，其 ＲD方 向 （圖 ６A） 和 TD方向 （圖 ６ｂ） 除具有大量韌窩 外，還有一定數(shù)量的小平面 （位置 Ｂ），具有圓潤 且光滑的底部，并有微小的空洞存在，以及較銳利 的棱邊，同時韌窩內(nèi)部還有大量特別細(xì)小的微裂紋 （位置 Ｃ和位置 D），說明施加拉應(yīng)力后，裂紋在組 織中擴(kuò)展時的尖端應(yīng)力較大，導(dǎo)致裂紋在向前擴(kuò)展 時，也向垂直于主裂紋擴(kuò)展的方向延伸，形成二次 裂紋，從而增加了裂紋擴(kuò)展的曲折性，導(dǎo)致合金的 強(qiáng)度增加、塑性降低。同時，在圖 ６A所示斷口形貌 中還有一定數(shù)量的撕裂棱 （位置 E），撕裂棱的出 現(xiàn)表明強(qiáng)度增大而塑性降低，此與TC4鈦合金板材 的宏觀拉伸性能一致。當(dāng)TC4鈦合金板材厚度為 1.0MM時，TD方向 （圖 ６D）的斷口形貌中有空洞 存在 （位置 Ｆ），這是因為：組織中晶粒十分均勻細(xì) 小，試樣在拉伸過程中，組織內(nèi)的裂紋擴(kuò)展時會遇 到大量細(xì)小 α晶粒，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，裂紋若繼 續(xù)擴(kuò)展，擴(kuò)展方向會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，其沿著 α／β晶界交 界處進(jìn)行，在此位置形成空洞，導(dǎo)致塑性下降。當(dāng) TC4鈦合金板材厚度為1.5和2.0mm時，其 ＲD方向 和 TD方向的斷口形貌基本相同，無明顯差異，說明 TC4鈦合金板材的力學(xué)性能接近，差異性較小。

由圖6可得，在 ＲD方向，當(dāng)TC4鈦合金板材 厚度較厚時 （1.5和2.0mm），斷口微觀形貌由大 量韌窩組成，當(dāng)厚度較薄時 （0.8mm），由于變形 量的增加，斷口微觀形貌中出現(xiàn)撕裂棱以及微裂紋， 這意味著TC4鈦合金板材的強(qiáng)度增加、塑性降低。 TD方向的變化趨于與 ＲD方向類似，均為隨著TC4 鈦合金板材厚度的變薄，斷口由單一的韌窩形貌向 韌窩與其他形貌并存的方向發(fā)展，區(qū)別之處為當(dāng) TC4鈦合金板材厚度較薄時，ＲD方向的斷口形貌以 韌窩、微裂紋和撕裂棱為主，而 TD方向的斷口形 貌以韌窩、微裂紋和空洞為主。

3、結(jié)論

（１）經(jīng)軋制及退火后的TC4鈦合金板材組織為 α相與殘余 β相組成的混合組織，α相形貌呈現(xiàn)出 線條狀、等軸狀以及細(xì)小團(tuán)狀等，與原始板材相比， 經(jīng)軋制退火后，TC4鈦合金板材晶粒細(xì)化明顯，且 存在明顯的軋制跡象。

（２）TC4鈦合金板材強(qiáng)度總體呈現(xiàn)出隨著厚度 的增加先降低再趨于穩(wěn)定的趨勢，而塑性呈現(xiàn)出先 升高再趨于穩(wěn)定的趨勢。當(dāng)厚度為0.8mm時，TC4 鈦合金板的強(qiáng)度最大，最大的抗拉強(qiáng)度ＲM 為 1075MPa、最大的屈服強(qiáng)度 ＲEL為1027MPa。而塑 性方面，不同規(guī)格TC4鈦合金板材的伸長率 A大致 相同，最大值為17.5％。４種規(guī)格TC4鈦合金板材 經(jīng)軋制退火后沿 ＲD與 TD方向的強(qiáng)度與塑性均有一 定差值，說明此４種規(guī)格TC4鈦合金板材具有一定 程度的各向異性。

（３）不同規(guī)格TC4鈦合金板材拉伸后的斷口形 貌均以韌窩為主，具有明顯的韌性斷裂特征，其中 厚度為0.8mm的TC4鈦合金板材沿TD方向的斷口 形貌中除具有韌窩形貌外，還具有一定數(shù)量的小平 面，韌窩內(nèi)部還存在有大量特別細(xì)小的微裂紋。

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