应变速率对钛合金室温拉伸性能的影响

苟曼曼，白瑞敏，孟利军

（1.西安汉唐分析检测有限公司，陕西 西安 710201；2.西安欧中材料科技有限公司，陕西西安 710018）

金属材料室温拉伸性能作为材料强度和塑性性能表征的基本手段，在各类材料性能表征方法中占据着极其重要的作用，因此，其结果的可靠性对于准确反映材料性能至关重要。影响金属材料室温拉伸性能的因素很多，而其中拉伸速率对拉伸结果起着决定性作用［1～3］。因此，在 GB／T228.1-2010中对金属材料的拉伸控制方式以及拉伸速率都提出了明确规定［4］。但是在长期试验中发现，部分有色金属与黑色金属有所不同，其对拉伸试验速率比较敏感，例如钛合金和铜合金等，拉伸速率的切换会使得拉伸曲线产生一定的跳跃［5］。拉伸速率对部分有色金属材料的抗拉强度有明显影响。然而在GB／T228.1-2010中并没有针对有色金属的这种特殊性而提出拉伸速率的特殊要求。而钛合金由于其强度高、耐腐蚀性好、耐热性高等特点被广泛应用于各行各业，因此本文重点分析拉伸速率对钛合金拉伸性能的影响。

1 应变速率对钛合金室温拉伸性能影响的研究进展

室温拉伸性能的结果表示主要有抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和断面收缩率，因此探讨应变速率对室温拉伸性能的影响，即为探讨对这四种性能指标的影响。本文主要选取了三种牌号的钛合金，对其已经开展的关于应变速率对室温拉伸性能的影响研究进行介绍和分析。

1.1 应变速率对Ti6Al4V（TC4）室温拉伸性能的影响

张欢［6］等人研究了应变速率对Ti6Al4V室温拉伸性能的影响。他们采用屈服前应变速率分别为0.003／min、 0.004／min、 0.005／min、 0.007／min、0.009／min、0.011／min、0.015／min和 0.067／min进行试验，屈服后速率一致，结果表明应变速率对Ti6Al4V合金的拉伸强度、断后伸长率和断面收缩率的影响不明显，但是屈服强度则明显受到应变速率的影响。为了进一步研究应变速率对屈服强度的影响规律，他们讨论了拉伸速率对数和屈服强度之间的关系，并绘制了图1。从图1中可以看出当应变速率小于0.005／min时，合金受应变速率的影响比较小，而当应变速率大于0.005／min时，合金屈服强度则随着应变速率的增加而明显增大。该研究共探讨了8组不同应变速率对拉伸试验结果的影响，主要研究了应变速率对Ti6Al4V合金的拉伸强度、屈服强度、断后伸长率和断面收缩率的影响程度，并通过绘制曲线的方式找到了对屈服强度影响程度的应变速率拐点，为应变速率对钛合金室温拉伸结果的影响规律做出了巨大贡献。

图1 拉伸速率对数与屈服强度的关系图

张浩［7］等人研究了不同应变速率下Ti6Al4V的拉伸性能。他们通过试验发现采用应变速率控制时，当试验速率越高时Ti6Al4V合金的屈服强度值越高。并且通过试验发现采用黑色金属总结出来的试验速率对该钛合金进行试验得到的屈服强度值比实际测得值增大了5%，因此表明适用于黑色金属的试验速率并不适用于钛合金材料。该研究通过设计试验，对比了黑色金属与有色金属材料拉伸试验结果的异同，并总结出两者采用相同应变速率下试验结果差异的规律，为找到适合有色金属材料试验速率奠定了理论基础。

张先锋［8］等人研究了应变速率对TC4钛合金抗拉强度及拉伸曲线的影响。他们在试验中没有考虑应变速率对材料屈服强度的影响，第一应变速率均采用0.000 25／s，第二速率分别采用 GB／T228.1-2010中规定的范围二 0.000 25／s、范围三 0.002／s和范围四0.006 7／s，并同时考虑了在误差±20%范围内应变速率对TC4钛合金抗拉强度的影响。试验结果表明，当应变速率从0.000 25／s提高到0.002／s时材料的抗拉强度值增幅不明显，并且在误差范围内时抗拉强度的变化亦不明显，然而当应变速率提高到0.006 7／s时，TC4的抗拉强度明显增加，且在误差范围内时强度的变化也较为明显，说明TC4材料的抗拉强度受应变速率的影响较为明显，且应变速率越高强度值越大。另外，张先锋等人还发现当TC4合金在室温拉伸过程中由第一应变速率转换到不同范围的第二应变速率时拉伸曲线会有明显的突变，第二速率越大应力值突变越大。因此，为了避免合金在拉伸试验过程中由于速率的突变而产生的应力值的突变现象，应该严格控制拉伸过程中的应变速率。该研究在现有研究的基础上，考虑了误差范围的影响，进一步探讨了不同应变速率对TC4合金拉伸强度和曲线的影响，找到了应变速率对拉伸强度的影响规律，发现了试验中应变速率的突变会引起应力值突变这一现象，在该研究领域取得了突破性进展。

1.2 应变速率对TA15室温拉伸性能的影响

郝芳［5］等人研究了应变速率对TA15钛合金室温拉伸过程中力学性能的影响。他们分别采用四组不同的拉伸速率对TA15合金进行室温拉伸试验，第一应变速率分别为 0.000 03／min、0.000 2／min、0.000 8／min和0.004／min，第二应变速率统一采用0.2／min，试验结果见表1。在这四组不同的试验条件下，最终测得TA15钛合金抗拉强度的最大值与最小值之差仅有10 MPa，断后伸长率的差异为1%左右，断面收缩率的差异也在1%左右，而屈服强度的差异则达到了56 MPa，并且试验结果表明应变速率越高材料屈服强度越大，同时材料屈强差值减小，屈强比值增大。该研究采用不同的第一应变速率和相同的第二应变速率对TA15材料的室温拉伸性能进行了研究，其研究表明，不同应变速率对TA15钛合金的抗拉强度、断后伸长率及断面收缩率值影响较小，而对其屈服强度的影响较大，且应变速率越大材料的屈服强度值越高。

表1 不同应变速率下TA15钛合金拉伸试验结果

1.3 应变速率对Ti1023室温拉伸性能的影响

焦磊［9］等人研究了不同应变速率对钛合金Ti1023室温拉伸性能的影响。他们分别采用应变速率为0.000 6／min、0.005／min、0.015／min、0.05／min、0.2／min、0.4／min的试验条件对 Ti1023合金进行室温拉伸试验。结果发现当应变速率分别为0.000 6／min和0.4／min时，材料的屈服强度分别达到最小值与最大值，为417 MPa和487 MPa，两者的差异达到70 MPa。而不同应变速率下，Ti1023合金的抗拉强度以及断后伸长率和断面收缩率几乎一样。由此得出，不同应变速率对Ti1023合金的屈服强度有明显影响，且应变速率越高屈服强度值越大，而对抗拉强度、断后伸长率和断面收缩率影响不大。另外，他们通过金相分析以及断口形貌分析发现，Ti1023合金在不同的拉伸速率下其显微组织几乎没有发生变化，因此应变速率的变化对材料抗拉强度、断后伸长率和断面收缩率的结果影响不大。而且他们认为引起材料屈服强度发生明显变化的主要原因是拉伸过程中产生的位错运动，并且Ti1023合金在拉伸过程中会产生应力诱发马氏体相变过程。该研究通过设计不同应变速率对Ti1023合金拉伸性能的影响试验，找准了应变速率对拉伸性能的影响规律，并对这一规律进行了量化，同时，该研究从微观组织和原子介观角度深入研究并分析了应变速率对拉伸性能影响的内在机理，为进一步解释这一影响规律奠定了理论基础。

通过以上试验研究，可以发现应变速率对于不同牌号钛合金（Ti6Al4V、TA15和Ti1023）拉伸性能的影响具有相似的规律，即在室温拉伸过程中，第一应变速率对钛合金Ti6Al4V、TA15及Ti1023的抗拉强度、断后伸长率及断面收缩率的影响不明显，而对合金的屈服强度影响较为显著，且应变速率越大屈服强度值越高；第二应变速率对钛合金TC4的抗拉强度值影响较大，当应变速率从GB／T228.1-2010中的范围2增加到范围4时，材料的抗拉强度值明显增大，且当应变速率在范围4的±20%误差范围内变化时，材料的抗拉强度波动较大。同时应变速率的突变会导致拉伸曲线的应力值发生突变。

2 应变速率对钛合金室温拉伸性能影响研究的展望

为了得出应变速率对钛合金室温拉伸性能的影响规律，目前已经开展了一些研究工作，这些研究主要探讨和量化了应变速率对拉伸试验结果的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和断面收缩率的影响程度和规律。在影响程度方面，改变第一或第二应变速率会分别对屈服强度和抗拉强度造成影响。因此，通过在试验前进行验证的方法，可找到适合钛合金材料拉伸试验的应变速率，以达到对试验结果影响最小的目的。在影响规律方面，通过量化应变速率与拉伸性能指标的变化规律，并总结出明确的变化关联公式，是进一步找到合理应变速率范围的有力支撑。然而，现有工作的研究成果还不够完善，不能完全实现上述目的，因此，对钛合金材料拉伸试验应变速率的研究未来还有以下一些工作可以开展：

1.进一步量化应变速率对抗拉强度和屈服强度的影响规律，给出确切的关系公式和明确的应变速率使用范围。

2.深入分析应变速率影响拉伸试验结果的内在机理。

3.可从显微组织和原子位移角度深入研究应变速率对钛合金拉伸性能的影响。

3 结 论

应变速率是影响钛合金室温拉伸试样结果的主要因素，不同的应变速率虽然对塑性性能的影响不大，但若速率超过某一范围，会对抗拉和屈服两个强度性能产生较大影响。本文针对Ti6Al4V、TA15和Ti1023这三种牌号的钛合金关于拉伸试验应变速率的研究进行了介绍和分析，并总结归纳了现有研究成果和对未来研究方向的展望。总之，为了精确测量钛合金的力学性能，应严格控制拉伸应变速率在适当的范围内，避免因拉伸速率的突变而造成拉伸曲线的突变，从而影响结果的准确性。