室温下TC11钛合金准静态拉伸力学性能实验研究

牛秋林，陈 明，明伟伟

(1.湖南科技大学机电工程学院，湖南湘潭 411201；2.上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240)

室温下TC11钛合金准静态拉伸力学性能实验研究

牛秋林1，陈 明2，明伟伟2

(1.湖南科技大学机电工程学院，湖南湘潭 411201；2.上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240)

针对典型航空材料TC11钛合金的拉伸性能，采用准静态拉伸实验对不同应变率条件下的TC11钛合金的应力-应变关系进行了研究，利用扫描电镜分析了其拉伸断口形貌。实验结果表明：TC11钛合金具有一定的应变率敏感性，抗拉强度和屈服强度均会受到应变率的影响；准静态拉伸时TC11钛合金试样出现了颈缩现象，试样截面形状为杯锥状，试样断口存在光滑的剪切唇区和灰色的纤维区，其断裂属于韧性断裂，但是其韧性较差；TC11钛合金拉伸断口形貌主要为大小不一的韧窝，随着应变率的增大，试样拉伸断口韧窝的大小和深度均变小，同时出现了少量的撕裂棱和准解理面，试样的断裂机制为以韧性断裂为主和伴有准解理断裂。因此，在准静态拉伸条件下，TC11钛合金的力学行为与应变率有关。

材料力学；TC11钛合金；准静态拉伸；力学性能；断口形貌

钛合金由于具有优良的机械性能而受到广泛关注[1-2]。TC11钛合金是一种典型的α+β型双相钛合金，广泛应用于航空领域中许多关键零部件的制造，例如：发动机压气机盘、转子叶片、紧固件等，具有高比强度、高韧性、热硬性好等特点[3-9]。但是，由于其热导率小，导热性差，变形抗力大，因此，TC11钛合金属是一种典型的难加工材料[10-11]。在切削加工过程中，TC11钛合金会受到不同载荷的冲击，从而发生剧烈的弹塑性变形。研究其物理力学特性是构建其本构关系模型的重要一环[12-13]。同时，准静态拉伸实验也是获得其屈服强度等本构模型关键参数的一个重要方法。所以，对TC11钛合金的准静态拉伸性能进行研究非常必要。

针对TC11钛合金的力学性能研究主要集中在其压缩或热变形性能研究方面[14-17]。徐彬[18]通过改变退火工艺和参数研究了在0.001～940 s-1和800～1 050 ℃范围内TC11钛合金的高温压缩性能。王克鲁等[4]和赵为纲等[19]利用高温压缩实验研究了TC11钛合金在0.001～70 s-1时的相区变形行为和流动应力变化规律。舒大禹等[11]则对室温时高应变率条件下的动态剪切性能进行了分析。GU等[20]研究了不同热处理工艺对TC11钛合金的高温拉伸蠕变行为的影响。而ZHANG等[21]对TC11钛合金在0.001～940 s-1范围内的拉伸性能研究后认为，材料的拉伸屈服强度随着应变率的增加而增大。

目前，有关TC11钛合金准静态拉伸断口形貌方面的研究较少[22]。本文针对TC11钛合金的轴向拉伸力学性能，采用准静态拉伸实验对不同应变率下的拉伸力学行为进行了分析，研究了其准静态拉伸实验中获得的力学特性和断口形貌，以便为该材料的本构建模提供关键系数参考。

1 试样制备与实验方法

1.1 试样制备

实验材料为TC11钛合金锻件，其金相组织如图1所示，其主要化学成分(wt%)为6.56 Al，3.49 Mo，1.78 Zr，0.31 Si，0.062 Fe，0.1 O，0.012 N，0.01 C，0.001 H[9]，其余为Ti。TC11钛合金拉伸试样为圆柱试样，试样直径为5 mm，原始标距为30 mm，其具体尺寸如图2所示。图3为TC11钛合金试样在拉伸实验前后的对比照片。

图1 TC11钛合金的金相组织Fig.1 Metallographic organization of TC11 titanium alloy

图2 试样的详细尺寸Fig.2 Detailed dimensions of specimens

图3 拉伸实验前后试样的实物照片Fig.3 Physical photos of specimens before and after tensile tests

1.2 实验方法

根据GB/T 228.1—2010的规定，准静态拉伸实验在WDW-100D型万能试验机上进行。实验温度为常温。为了获得TC11钛合金的准静态力学性能，应变率采用0.001，0.01和0.1 s-13个实验条件，其对应的加载速度分别为1.5，15和150 mm/min。实验之后，为了方便进行下一步的分析测试工作，对试样的非断裂面进行了线切割和打磨。最后，采用HITACHI S-4800型扫描电子显微镜观察拉伸试样断口的微观形貌。

图4 不同应变率条件下TC11钛合金的准静态拉伸应力-应变曲线Fig.4 Quasi static tensile stress-strain curves of TC11 titanium alloy at different strain rates

2 实验结果与讨论

2.1 TC11钛合金准静态拉伸性能分析

不同应变率条件下TC11钛合金的准静态拉伸应力-应变曲线和拉伸性能如图4和表1所示。由图4可知，随着应变率的增大，在塑性变形阶段流动应力逐渐增大，试样的工程应力在应变率为0.1 s-1时变化最大。试样在应变率为0.001，0.01和0.1 s-1时得到的屈强比分别为0.83，0.81和0.91。试样的准静态抗拉强度从0.001 s-1时的1 090 MPa增加到了0.1 s-1时的1 180 MPa，准静态屈服强度则从904.7 MPa增大到了1 073.8 MPa，抗拉强度和屈服强度均表现出了同应变率的相关性。因此，TC11钛合金在准静态拉伸条件下表现出了一定的应变率敏感性。

表1 不同应变率条件下TC11钛合金的准静态拉伸性能

2.2 断口宏观形貌分析

图5为准静态拉伸实验获得的TC11钛合金断口的低倍显微组织照片。从图5中可以看出，在3个应变率条件下TC11钛合金试样均发生了颈缩现象，试样截面表现为杯锥状，形成了光滑的剪切唇区和灰色的纤维区，放射区不明显。当应变率为0.001 s-1时，试样的纤维区较为平整(图5 a))。随着应变率的增大，纤维区表面形貌愈发粗糙。另一方面，当应变率从0.001 s-1增大到0.1 s-1时，试样断口的剪切唇区面积逐渐增大。这可能与拉伸过程中TC11钛合金的α+β双相组织结构的变化有关。已有的研究表明，等轴α相有利于提高抗裂纹萌生能力，而针状β相则具有提高抗裂纹扩展的能力[5]。但是，当应变率不断增大时，由于试样轴向应力增大，从而引起剪切面上裂纹的扩展速度加快。其断面形貌的变化规律也与试样的抗拉强度的变化保持一致。从图5中也可以看出，试样在3个不同应变率下获得的拉伸断口的颈缩现象并不是特别显著，这与表1中显示的3个试样的断面收缩率并不相吻合。因此，TC11钛合金在准静态拉伸条件下的断裂方式属于韧性断裂，但其韧性较差。

图5 不同应变率下获得的TC11钛合金拉伸断口形貌Fig.5 Tensile fracture morphology of TC11 titanium alloy obtained at different strain rates

2.3 断口显微结构分析

准静态拉伸实验获得的TC11钛合金的断口中部的显微组织结构如图6所示，显微形貌均放大了10 000倍。从图6中可以看出，应变率为0.001 s-1时，试样断口存在许多大小不一的韧窝，大韧窝中包含小的韧窝，部分韧窝较深且底部有成核颗粒或空洞(图6 a))，这是由单轴拉伸引起的等轴韧窝。同时，试样断口还有少量的撕裂棱。因此，试样断口表现为以韧性断裂为主和伴有准解理断裂。当应变率为0.01 s-1时，试样断口的撕裂棱增多，韧窝尺寸变小且较浅。应变率增大到0.1 s-1时，试样断口表面局部出现准解理面(图6 c))，韧窝变为网状韧窝(图6 d))。因此，随着应变率的增大，试样拉伸断口韧窝的大小和深度均变小，而解理面有增多的趋势。这表明，随着应变率的增加，该材料的塑性在逐渐发生改变。

图6 不同应变率下获得的TC11钛合金的微观组织Fig.6 Microstructure of TC11 titanium alloy obtained at different strain rates

3 结 论

1)利用不同应变率条件下的准静态拉伸实验对TC11钛合金的拉伸力学行为进行分析后的结果表明，TC11钛合金具有一定的应变率敏感性。在准静态拉伸条件下，该材料的抗拉强度随应变率的增大而逐渐增大。

2)准静态拉伸时TC11钛合金试样具有颈缩现象，试样截面呈杯锥状，断口存在光滑的剪切唇区和灰色的纤维区，但是其放射区不明显，颈缩不显著，试样的断面收缩率不高。因此，TC11钛合金的准静态拉伸断裂虽然属于韧性断裂，但是其韧性较差。

3)TC11钛合金拉伸试样的断口形貌主要为大小不一的韧窝。随着应变率的增大，断口表面的韧窝开始减少、变浅，并出现少量的撕裂棱和准解理面。试样的断裂机制为以韧性断裂为主和伴有准解理断裂。

4)主要研究了TC11钛合金的准静态拉伸时的力学行为，但对其拉伸断口的断裂机理的分析还不够透彻，同时，该材料在高应变率下的动态变形特性有待进一步研究。

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Experimental study on quasi-static tensile mechanical properties ofTC11 titanium alloy at room temperature

NIU Qiulin1, CHEN Ming2, MING Weiwei2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan, Hunan 411201, China; 2.School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

According to the tensile properties of typical aerospace material TC11 titanium alloy, the stress-strain relationship is studied using the quasi-static tensile test at different strain rates, and the tensile fracture morphology is analyzed with SEM. The experimental results show that TC11 titanium alloy has certain strain rate sensitivity, and both tensile strength and yield strength are affected by strain rate. During quasi-static tension test, TC11 titanium alloy specimen has the phenomenon of neck shrinkage. The section of the specimen is cuppy, and there is smooth shear lip zone and grey fiber area in the sample fracture. The fracture of the samples belongs to ductile fracture, but its toughness is poor. The tensile fracture morphology of TC11 titanium alloy is mainly the dimple with different sizes, but with the increase of strain rate, the size and the depth of dimple at the tensile fracture are smaller, and the fracture surface produces a small number of tearing edges and quasi-cleavage plane, and the fracture mechanism of the specimen is mainly ductile fracture and quasi-cleavage fracture. Therefore, the mechanical behavior of TC11 titanium alloy is related to strain rate under quasi-static tensile condition.

mechanics of materials; TC11 titanium alloy; quasi-static tension; mechanical properties; fracture morphology

2017-02-24；

2017-03-16；责任编辑：陈书欣

国家自然科学基金(51605161，51405294)；湖南科技大学科研启动基金(E51660)；难加工材料高效精密加工湖南省重点实验室开放基金(E21639)

牛秋林(1983—)，男，河南林州人，讲师，博士，主要从事难加工材料高速切削、超声振动辅助加工和难加工材料本构关系建模方面的研究。

E-mail:qlniu2009@163.com

1008-1542(2017)04-0320-05

10.7535/hbkd.2017yx04002

TG146.2

A

牛秋林，陈 明，明伟伟.室温下TC11钛合金准静态拉伸力学性能实验研究[J].河北科技大学学报,2017,38(4):320-324. NIU Qiulin,CHEN Ming,MING Weiwei.Experimental study on quasi-static tensile mechanical properties of TC11 titanium alloy at room temperature[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2017,38(4):320-324.