組織形貌對TC4鈦合金棒材性能的影響

黃淑陽 王淑艷 夏雪蓮

摘 ?要：文章研究了組織形貌對TC4鈦合金棒材室溫拉伸性能的影響，試驗結果表明，具有均勻細小等軸α相組織形貌的材料具有高強度、高塑性的優點，其綜合性能優于粗晶材料，而片層狀組織和魏氏體組織形貌的材料，強度指標差別不大，但其塑性指標急劇下降。

關鍵詞：TC4合金;組織;性能

中圖分類號：TG146 ? ? ? ?文獻標志碼：A 文章編號：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鈦合金是目前應用最廣泛的一種α+β型鈦合金，其用量占鈦合金總消耗量的50%以上。由于它具有耐蝕、高強、耐熱、可熱處理強化、無磁性，故廣泛應用于航空航天、化學化工、醫療器械及體育器材等各個領域[1-2]。

實際生產過程中，受合金成分、加工工藝、熱處理狀態等因素影響，TC4鈦合金組織多樣，而組織形貌直接影響產品的使用性能，因此研究組織與力學性能的系統對比具有重要意義。本文分析探討了組織形貌對TC4鈦合金棒材室溫力學性能的影響。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

本實驗材料選用規格為Ф35mm的TC4徑鍛棒坯，經加熱、軋制、拉伸、熱處理等工序制備規格為Ф10mm的TC4鈦合金棒材，實驗過程中通過適當的工藝控制，制備出四類不同組織形貌的試驗棒材，其化學成分見表1。

1.2 實驗方法

上述坯料經750℃保溫1h，AC熱處理后進行顯微組織及室溫力學性能的檢測。

顯微組織采用ZEISS光學顯微鏡檢測，并按GB/T13810-2007評級圖進行評級;室溫拉伸性能采用WDW-50電子萬能試驗機進行檢測，試驗方法嚴格依據GB/T228相關要求執行。

2 實驗結果

2.1 顯微組織及力學性能

經加工后的Φ10mm、TC4鈦合金棒材各類組織形貌如圖1所示，材料顯微組織形貌共分為四類，第Ⅰ類為均勻分布的細小等軸α相晶粒，初生α相含量在95%以上，組織評級符合標準GB/T13810-2007附圖中A2級;第Ⅱ類為均勻分布的較大α相晶粒，并且出現較多β轉組織形貌，初生α相在50%左右，組織評級符合標準GB/T13810-2007附圖中A5級;第Ⅲ類由片狀α相組成的片層組織，有不連續的晶界α相，組織評級超出標準要求;第Ⅳ類為典型魏氏組織，存在完整原始晶界。

對上述不同組織形貌的TC4、Ф10mm棒材進行室溫拉伸力學性能測試，具體參數如表2所示。

表2 Ф10mm、TC4棒材力學性能

2.2 實驗分析

上述坯料的室溫拉伸強度指標及塑性指標對比情況如圖2所示。

由圖可知，顯微組織晶粒越細小其具有高強度、高塑性的優點，此外，隨著材料晶粒尺寸長大，抗拉強度及屈服強度均有所下降，并且延伸率及斷面收縮率也同時降低。當初生α相被完全吸收后，第Ⅲ類片層狀組織試樣的塑性指標下降明顯，并且第Ⅳ類魏氏體組織形貌試樣的各項指標下降更加顯著。

這是因為金屬晶粒尺寸越小，單位體積內所包含的晶粒個數就越多，位錯及顯微缺陷集中的晶界區域面積越大，對塑性變形抗力越大。再者，晶粒尺寸越細小，晶粒的四周具有更多不同取向的晶粒，在變形滑移的時候，互相牽制的力更大，使室溫拉伸變形的時候變形抗力越大。

細晶組織有較高的強度指標，并且其塑性指標也高，這是因為晶粒越細小，單位體積內的晶粒數量越多，變形就可以分散在更多的有利滑移的晶粒內進行。因而金屬塑性變形比較均勻，由于變形均勻，就不易產生應力過分集中，這樣就能使較多的晶體能夠承受較大的塑性變形而不斷裂，因而晶粒越細，塑性越好。

此外，片層狀組織及魏氏體組織試樣的塑性性能劇烈下降，這是因為其原始晶粒要比其它類型的組織更加粗大、而且存在網狀晶界α相所致。

3 結論

（1）顯微組織晶粒越細小其具有高強度、高塑性的優點，其綜合性能指標均優于粗晶材料。

（2）具有片層狀組織及魏氏體組織形貌的材料，其室溫塑性指標急劇下降。

參考文獻：

[1]劉瑩，曲周德，王本賢.鈦合金TC4的研究開發及應用[J].兵器材料科學及工程，2005，28（5）：47-50.

[2]金屬鈦及其應用[M].程敏，趙克德，譯.冶金工業出版社，1989，8.