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 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 78K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 77~300K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 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 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 ASTME8/E8M-2016aStandard Test Methods
for Tension Testing of Metallic Materials的拉伸試驗(yàn)方法,屈服前拉伸速度為 0.005mm/min,屈服后為 8mm/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。
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-2007
Titanium Alloy Bars, Wire, Forgings,and Rings, and Drawn Shapes 6Al4VAnnealed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。
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)對合金進(jìn)行硬度測量,試驗(yàn)方法按照 GB/T231.1-2018《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 直 徑 為10mm的 R12-TC4鈦合金球施加 29.4kN的試驗(yàn)力,使壓頭壓入試樣表面,保持 30s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) ASTME2371-2013 Standard Test Method For Analysis of Titanium And Titanium Alloys By Direct Current Plasma And Inductively Coupled Plasma Atomic
Emission Spectrometry (Performance -Based Test Methodology),ASTM E1409 -2013 Standard Test Method for Determination of Oxygen and Nitrogen in
Titanium and Titanium Alloys by Inert Gas Fusion, ASTM E1447 -2009 Standard Test Method for Determination of Hydrogen in Titanium and Titanium Alloys
by Inert Gas Fusion Thermal Conductivity/Infrared Detection Method,ASTM E1941 -2010 Standard Test Method for Determination of Carbon in Refractory
and Reactive Metals and Their Alloys by Combustion Analysis,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試樣的化學(xué)成分進(jìn)行測量。將 0.1g試樣溶解于由 5mLH2O+2mL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 100mL塑料容量瓶中定容、搖勻,再進(jìn)行測量。碳的測量:將 0.3g屑狀試樣與 1g銅屑(助熔劑)置于瓷坩堝中,分析時(shí)間為 35s。氧、氮的測量:將 0.1g塊狀試樣與鎳籃(助熔劑)置于石墨坩堝中,脫氣功率為 5500W,分析功率為 5000W,氧的分析時(shí)間為 40s,氮的分析時(shí)間為 60s。氫的測
量:將 0.15g試樣加入 1g錫片(助熔劑)中,脫氣功率為 3500W,分析功率為 3200W,分析時(shí)間為 60s。
2.3 合金型號對比分析
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0.005mm/min,屈服后為 8mm/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)作為對比試樣,分析合金型號 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。
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 ZeissAxiovert 200MAT型金相顯微鏡對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:2012 Structural Examination of Titanium Alloys Chemical Etch Inspection Procedure,將試樣進(jìn)行逐級打磨、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)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287.2HB,TC4-2試 樣 的 布 氏 硬 度 平 均 值 為288.8HB,其測量結(jié)果均低于正常值(330HB);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 916.17MPa和921.27MPa。對比表 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/T3620.1-2007《鈦及鈦合金牌號和化學(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。
3.3 合金型號對 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/T8170-2008《數(shù)值修約規(guī)則與極限數(shù)值的表示和規(guī)定》。
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/T13810-2007《外科植入物用鈦及鈦合金加工材》標(biāo)準(zhǔn)值,這是因?yàn)?R7
-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相對鈦合金的塑性影響較大,次生α相對鈦合金的強(qiáng)度影響較大[17]。根據(jù) GB/T6611-2008《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)?R12-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。拉伸性能合格的 R12-TC4鈦合金試樣的抗拉強(qiáng)度為 980MPa,屈服強(qiáng)度為 895MPa,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。
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