组织形貌对TC4钛合金棒材性能的影响

黄淑阳 王淑艳 夏雪莲

摘  要：文章研究了组织形貌对TC4钛合金棒材室温拉伸性能的影响，试验结果表明，具有均匀细小等轴α相组织形貌的材料具有高强度、高塑性的优点，其综合性能优于粗晶材料，而片层状组织和魏氏体组织形貌的材料，强度指标差别不大，但其塑性指标急剧下降。

关键词：TC4合金;组织;性能

中图分类号：TG146        文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）13-0066-02

Abstract： In this paper， the effect of microstructure on the tensile properties of TC4 titanium alloy bars at room temperature is studied. The experimental results show that the materials with uniform， fine， equiaxed α-phase microstructure have the advantages of high strength and high plasticity， and their comprehensive properties are better than those of coarse grained materials. However， there is no significant difference in strength index between lamellar structure and bainite morphology， but the plastic index decreases sharply.

Keywords： TC4 alloy; microstructure; properties

TC4钛合金是目前应用最广泛的一种α+β型钛合金，其用量占钛合金总消耗量的50%以上。由于它具有耐蚀、高强、耐热、可热处理强化、无磁性，故广泛应用于航空航天、化学化工、医疗器械及体育器材等各个领域[1-2]。

实际生产过程中，受合金成分、加工工艺、热处理状态等因素影响，TC4钛合金组织多样，而组织形貌直接影响产品的使用性能，因此研究组织与力学性能的系统对比具有重要意义。本文分析探讨了组织形貌对TC4钛合金棒材室温力学性能的影响。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

本实验材料选用规格为Ф35mm的TC4径锻棒坯，经加热、轧制、拉伸、热处理等工序制备规格为Ф10mm的TC4钛合金棒材，实验过程中通过适当的工艺控制，制备出四类不同组织形貌的试验棒材，其化学成分见表1。

1.2 实验方法

上述坯料经750℃保温1h，AC热处理后进行显微组织及室温力学性能的检测。

显微组织采用ZEISS光学显微镜检测，并按GB/T13810-2007评级图进行评级;室温拉伸性能采用WDW-50电子万能试验机进行检测，试验方法严格依据GB/T228相关要求执行。

2 实验结果

2.1 显微组织及力学性能

经加工后的Φ10mm、TC4钛合金棒材各类组织形貌如图1所示，材料显微组织形貌共分为四类，第Ⅰ类为均匀分布的细小等轴α相晶粒，初生α相含量在95%以上，组织评级符合标准GB/T13810-2007附图中A2级;第Ⅱ类为均匀分布的较大α相晶粒，并且出现较多β转组织形貌，初生α相在50%左右，组织评级符合标准GB/T13810-2007附图中A5级;第Ⅲ类由片状α相组成的片层组织，有不连续的晶界α相，组织评级超出标准要求;第Ⅳ类为典型魏氏组织，存在完整原始晶界。

对上述不同组织形貌的TC4、Ф10mm棒材进行室温拉伸力学性能测试，具体参数如表2所示。

表2 Ф10mm、TC4棒材力学性能

2.2 实验分析

上述坯料的室温拉伸强度指标及塑性指标对比情况如图2所示。

由图可知，显微组织晶粒越细小其具有高强度、高塑性的优点，此外，随着材料晶粒尺寸长大，抗拉强度及屈服强度均有所下降，并且延伸率及断面收缩率也同时降低。当初生α相被完全吸收后，第Ⅲ类片层状组织试样的塑性指标下降明顯，并且第Ⅳ类魏氏体组织形貌试样的各项指标下降更加显著。

这是因为金属晶粒尺寸越小，单位体积内所包含的晶粒个数就越多，位错及显微缺陷集中的晶界区域面积越大，对塑性变形抗力越大。再者，晶粒尺寸越细小，晶粒的四周具有更多不同取向的晶粒，在变形滑移的时候，互相牵制的力更大，使室温拉伸变形的时候变形抗力越大。

细晶组织有较高的强度指标，并且其塑性指标也高，这是因为晶粒越细小，单位体积内的晶粒数量越多，变形就可以分散在更多的有利滑移的晶粒内进行。因而金属塑性变形比较均匀，由于变形均匀，就不易产生应力过分集中，这样就能使较多的晶体能够承受较大的塑性变形而不断裂，因而晶粒越细，塑性越好。

此外，片层状组织及魏氏体组织试样的塑性性能剧烈下降，这是因为其原始晶粒要比其它类型的组织更加粗大、而且存在网状晶界α相所致。

3 结论

（1）显微组织晶粒越细小其具有高强度、高塑性的优点，其综合性能指标均优于粗晶材料。

（2）具有片层状组织及魏氏体组织形貌的材料，其室温塑性指标急剧下降。

参考文献：

[1]刘莹，曲周德，王本贤.钛合金TC4的研究开发及应用[J].兵器材料科学及工程，2005，28（5）：47-50.

[2]金属钛及其应用[M].程敏，赵克德，译.冶金工业出版社，1989，8.