TC4钛合金棒材室温拉伸强度偏低的原因

王 萱, 刘宏伟, 赵 辉, 李 超, 徐军梅, 李贞婷

(1.宝鸡钛业股份有限公司, 宝鸡 721014； 2.陕西亿创钛锆检测有限公司, 西安 710003)

TC4钛合金是一种中等强度的钛合金，因其塑性变形能力强、耐蚀性好、比强度高、钝化能力强以及550 ℃以下抗氧化性能好等特点，被称为“万能合金”[1-2]，广泛应用于航空航天、生物医学及化学工业等领域[3-5]。然而，TC4钛合金屈服极限高、变形抗力大和屈服强度与极限强度比值高等成为限制其塑性变形能力提高的主要原因[1]。吕钢等[6]研究了热循环对TC4钛合金在室温和低温条件下拉伸性能的影响，结果表明随热循环次数的增加，TC4合金抗拉强度和屈服强度提高，延伸率略有升高。经500次循环后在78 K进行拉伸时，试样的延伸率显著上升且伴有拉伸应力跃升的现象。高禹等[7]研究了不同时效状态TC4钛合金在77～300 K温度区间内的拉伸性能，结果表明随着试验温度的降低, 拉伸断口附近位错分布不均匀性逐渐增大。丁嘉健等[8]研究了TC4钛合金在20，300，600，700，800 ℃时的拉伸性能，结果表明温度低于500 ℃时，TC4钛合金的塑性较差，温度高于600 ℃时，TC4钛合金的塑性较好。材料的成分、组织、热处理工艺与性能之间的关系是密不可分的，以上研究仅侧重于试验温度对TC4钛合金塑性的影响。

通过室温拉伸试验测得的R12型TC4合金棒材的强度偏低。笔者在以往研究的基础上，通过布氏硬度分析、化学成分分析、显微组织观察和拉伸试验参数影响分析，分析了R12型TC4合金棒材拉伸强度偏低的原因。

1 室温拉伸性能

采用电子万能试验机，对R12型TC4钛合金棒材(记为R12-TC4)进行拉伸试验，试验温度为25 ℃，试样尺寸见图1。参照ASTM E8/E8M-2016aStandardTestMethodsforTensionTestingofMetallicMaterials的拉伸试验方法，屈服前拉伸速度为0.005 mm/min，屈服后为8 mm/min，设置两个平行试样，分别记为R12-TC4-1和R12-TC4-2，其轴向应力-应变曲线如图2所示。Rm为抗拉强度、Rp0.2为屈服强度、A为断后伸长率、Z为断面收缩率。

图1 R12-TC4钛合金的拉伸试样尺寸Fig.1 Tensile sample size of R12-TC4 titanium alloy

图2 不同R12-TC4钛合金试样的轴向应力-应变曲线Fig.2 Axial stress-strain curve of different R12-TC4 titanium alloy samples

R12-TC4钛合金的拉伸性能如表1所示，可以看出R12-TC4-1与R12-TC4-2试样的抗拉强度和屈服强度均低于标准值，而其断后延伸率和断面收缩率均高于SAE AMS 4928R-2007TitaniumAlloyBars,Wire,Forgings,andRings,andDrawnShapes6Al4VAnnealed标准值，即R12-TC4-1与R12-TC4-2试样的拉伸性能均不符合标准要求。

表1 R12-TC4钛合金的拉伸性能Tab.1 Tensile properties of R12-TC4 titanium alloy

2 试验方法

2.1 布氏硬度检测

由于材料硬度与抗拉强度之间存在对应关系[9-10]，且特别适用于晶粒粗大的金属材料[11-12]。因此采用HB3000C型布氏硬度计对合金进行硬度测量，试验方法按照GB/T 231.1-2018《金属材料 布氏硬度试验 第一部分：试验方法》。R12-TC4钛合金布氏硬度通常在330 HB左右。对直径为10 mm的R12-TC4钛合金球施加29.4 kN的试验力，使压头压入试样表面，保持30 s后，去除试验力，测量试样表面的压痕直径。

2.2 化学成分分析

根据ASTM E2371-2013StandardTestMethodForAnalysisofTitaniumAndTitaniumAlloysByDirectCurrentPlasmaAndInductivelyCoupledPlasmaAtomicEmissionSpectrometry(Performance-BasedTestMethodology), ASTM E1409-2013StandardTestMethodforDeterminationofOxygenandNitrogeninTitaniumandTitaniumAlloysbyInertGasFusion, ASTM E1447-2009StandardTestMethodforDeterminationofHydrogeninTitaniumandTitaniumAlloysbyInertGasFusionThermalConductivity/InfraredDetectionMethod, ASTM E1941-2010StandardTestMethodforDeterminationofCarboninRefractoryandReactiveMetalsandTheirAlloysbyCombustionAnalysis，测定R12-TC4钛合金的化学成分。

采用OPTIMA-4300V型电感耦合等离子体发射光谱仪(美国PE公司)和LECO公司的气体元素分析仪对试样的化学成分进行测量。将0.1 g试样溶解于由5 mL H2O+2 mL氢氟酸+1 mL硝酸配制而成的溶液中，正常溶解时不用加热，完全溶解后将溶液转移至100 mL塑料容量瓶中定容、摇匀，再进行测量。碳的测量：将0.3 g屑状试样与1 g铜屑(助熔剂)置于瓷坩埚中，分析时间为35 s。氧、氮的测量：将0.1 g块状试样与镍篮(助熔剂)置于石墨坩埚中，脱气功率为5 500 W，分析功率为5 000 W，氧的分析时间为40 s，氮的分析时间为60 s。氢的测量：将0.15 g试样加入1 g锡片(助熔剂)中，脱气功率为3 500 W，分析功率为3 200 W，分析时间为60 s。

2.3 合金型号对比分析

参照ISO-6892-1-2016 《金属材料-拉伸试验 第1部分：室温测试方法 》，屈服前拉伸速度为0.005 mm/min，屈服后为8 mm/min。为排除拉伸试验参数的影响，选用R7型TC4钛合金(记为R7-TC4)作为对比试样，分析合金型号TC4钛合金拉伸性能的影响。R7-TC4钛合金的拉伸试样尺寸如图3所示。

图3 R7-TC4钛合金的拉伸试样尺寸Fig.3 Tensile sample size of R7-TC4 titanium alloy

2.4 显微组织观察

显微组织分析是金属材料试验研究的重要内容之一，能够采用定量金相学原理，测量和计算合金组织的三维空间形貌，建立合金成分、组织和性能间的定量关系。具有精度高、速度快等优点，可大大提高工作效率[13-14]。

通过不同处理工艺，TC4 钛合金可以获得马氏体组织、粗大网篮组织、针状组织、魏氏组织、蠕虫状组织和等轴α组织+块状双态组织。其中，等轴α组织+块状双态组织的塑性好于其它组织[15]。采用Zeiss Axiovert 200MAT型金相显微镜对拉伸性能偏低的试样和拉伸性能正常的试样进行观察，根据SAE AMS 2643E：2012StructuralExaminationofTitaniumAlloysChemicalEtchInspectionProcedure，将试样进行逐级打磨、抛光、浸蚀后，用酒精清洗并吹干后待用，浸蚀溶液由5%(体积分数)HF+12%(体积分数)HNO3+80%(体积分数)H2O配置而成。

3 结果与讨论

3.1 布氏硬度试验

测得R12-TC4-1试样的布氏硬度平均值为287.2 HB，TC4-2试样的布氏硬度平均值为288.8 HB，其测量结果均低于正常值(330 HB)；抗拉强度Rm与布氏硬度HB之间存在强相关性[16]，即Rm/HB≈3.19。因此，R12-TC4-1和R12-TC4-2试样的抗拉强度分别应为916.17 MPa和921.27 MPa。对比表1中的抗拉强度，通过布氏硬度推测出的抗拉强度与实测抗拉强度相差不大，因此排除人为因素影响。

3.2 化学成分分析

参照GB/T 3620.1-2007《钛及钛合金牌号和化学成分》，由表2可见，R12-TC4钛合金的化学成分均符合标准的技术要求。

表2 R12-TC4钛合金的化学成分Tab.2 Chemical compositions of R12-TC4 titanium alloy

3.3 合金型号对TC4钛合金拉伸性能的影响

R7-TC4钛合金的拉伸试验结果见表3，其轴向应力-应变曲线如图4所示。表3均为修约后数据，修约标准参考GB/T 8170-2008《数值修约规则与极限数值的表示和规定》。

表3 R7-TC4钛合金的拉伸试验结果Tab.3 Tensile test results of R7-TC4 titanium alloys

图4 R7-TC4钛合金试样的轴向应力-应变曲线Fig.4 Axial stress-strain curves of R7-TC4 titanium alloy samples

由表3和图4可知，R7-TC4钛合金的屈服强度均高于R12-TC4钛合金，但其抗拉强度和屈服强度均低于GB/T 13810-2007《外科植入物用钛及钛合金加工材》标准值，这是因为R7-TC4钛合金屈服前的拉伸速度较高，其屈服强度有所提高，但提高幅度有限，这不是造成TC4钛合金拉伸强度偏低的主要原因。

3.4 显微组织观察

由图5a)可知，拉伸性能不合格的R12-TC4钛合金试样的显微组织为β转变基体上的等轴状α组织(初生α相)和短棒状α组织(次生α相)，初生α相体积分数在60%左右。R12-TC4钛合金为α+β两相钛合金，初生α相对钛合金的塑性影响较大，次生α相对钛合金的强度影响较大[17]。根据GB/T 6611-2008 《钛及钛合金术语和金相图谱》，在加热到高于α+β两相共存区温度后以一定的速率冷却，或在高于α+β两相共存区温度变形，均可形成这种组织。在两相区较低温度加热时，组织中保留了大量初生α相，空冷后为初生α相+少量β相。当次生α相宽度增加时，R12-TC4钛合金的强度降低，塑性增加，随着R12-TC4钛合金中初生α相含量的降低，其拉伸强度有所提高，随着冷却速率的加快，其强度逐渐提高。因为，R12-TC4钛合金热处理工艺中冷却方式为炉冷，冷却速度较慢，导致其初生α相含量升高，且出现了少量较宽的短棒状次生α相，这是R12-TC4钛合金拉伸性能偏低的主要原因。

图5 拉伸性能合格与不合格R12-TC4钛合金试样的显微组织Fig.5 Microstructure of R12-TC4 titanium alloy samples with unqualified a) and qualified b) tensile properties

拉伸性能合格的R12-TC4钛合金试样的抗拉强度为980 MPa，屈服强度为895 MPa，断后伸长率为19%，断面收缩率为42%。由图5b)可知，拉伸性能合格的R12-TC4钛合金试样的显微组织中细条状初生α相体积分数在40%左右。对比图5a)可知，随着初生α相含量的下降和次生α相宽度的减小，R12-TC4钛合金的强度增加，塑性无明显变化。

4 结论

(1) R12型TC4钛合金的布氏硬度与抗拉强度的实测值满足Rm/HB≈3.19的关系，其化学成分符合技术要求。

(2) R12型TC4钛合金棒材拉伸强度偏低与拉伸速度和试样型号无明显关系，其主要原因是其热处理工艺中的冷却方式为炉冷，冷却速率较慢，导致其初生α相含量较多，且出现了少量较宽的短棒状次生α相。