TC4鈦合金室溫沖擊國、美標檢測結果差異

王冠軍 董曉鋒 楊再江 楊學新 岳旭 黨鵬

（新疆湘潤新材料科技有限公司，新疆哈密 839100）

鈦及鈦合金因具有比強度高、耐熱性好、抗腐蝕性好等特點，被廣泛應用于化工、航空航天、汽車船舶及醫學等領域。其中TC4 鈦合金被應用最廣泛之一，但是由于TC4 鈦合金的抗沖擊韌性差嚴重限制了其更廣泛的應用。在生產過程中室溫力學性能、硬度均滿足標準要求，而沖擊韌性值卻較低甚至不合，影響沖擊韌性的因素較多，許多報道大多都從工藝、熱處理制度去分析，而從試驗方法分析報道的卻甚少。到底從檢測方法上國標、美標檢測對TC4 鈦合金的沖擊性能有何影響，下面我們將使用常規工藝加工的TC4 鈦合金從試驗的角度來分析國、美標沖擊試驗檢測結果的差異。

1 試驗材料

試驗材料為TC4 鈦合金鍛件，經過多次鍛造加工成200 mm*500 mm*500 mm的鈦方塊，用金相法測定鑄錠的相變點為985～995℃。在鍛件上按照取樣規則切去相應的幾何試樣，按照ASTM E8/E8M 標準機加工成E8 試樣來測試室溫力學性能，顯微組織按GB/T 5168-2020 制樣進行檢驗，顯微組織如圖1 所示，是α+β 相組成的等軸組織。其化學成分為6.2%Al、3.98%V、0.08%Fe、0.12%O、Ti余量，室溫拉伸性能為抗拉強度（Rm）為979 MPa、屈服強度（Rp0.2）為886 MPa、斷后伸長率（A）為18%、斷面收縮率（Z）為45%。

圖1 TC4鈦合金顯微組織

2 試驗方法

沖擊試驗分別按照GB/T 229-2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》和ASTM E23-2018《金屬材料缺口試樣標準沖擊試驗方法》進行，為了便于比較，試樣統一選用標準試樣：55mm*10mm*10mm，V 型缺口試樣，如圖2 所示。尺寸偏差以國標為準，每組試樣3件，在室溫條件下進行沖擊試驗。

圖2 V型缺口試樣

2.1 試驗設備

沖擊試驗在型號為：ZBC2302-BE 夏比擺錘沖擊試驗機上進行，量程為300J。試驗機經鋼研納克技術檢測股份有限公司校準，同時滿足國標和美標夏比沖擊試驗對試驗機的要求，GB/T 229-2020 標準采用擺錘打擊刀刃半徑為2mm；ASTM E23-2018 標準采用擺錘打擊刀刃半徑為8mm。

2.2 試樣尺寸

由表1 可知：ASTM E23-2018《金屬材料缺口試樣標準沖擊試驗方法》標準的V 型沖擊試驗樣和GB/T 229-2020 標準的夏比V 型試樣的公稱尺寸相同，兩者區別主要為機加工偏差，對比發現兩項標準對機加工偏差的要求存在重疊區，也就是說，在一定范圍內的加工偏差既可以滿足國標要求，也可以滿足美標要求。

表1 試樣的尺寸與偏差

表2 試驗結果

3 試驗結果與分析

3.1 試驗結果

試驗結果表明：TC4 鈦合金室溫沖擊結果GB/T 229-2020和ASTM E23-2018檢測結果基本相近。

3.2 分析討論

影響沖擊試驗結果的因素很多，有環境溫度、試樣尺寸及偏差、試樣缺口的幾何形狀、試樣制備過程、材料特質、試驗機參數等。環境溫度：國標對環境溫度的要求23±5 ℃，美標對環境溫度的要求20±5 ℃，本次沖擊試驗環境溫度為23℃，滿足兩項要求。試樣尺寸及偏差：試驗采用的試樣，試樣尺寸及偏差、試樣缺口的幾何形狀、試樣制備過程均相同。材料特質：試樣材料為TC4 鈦合金，材料的組織成份均勻，性能穩定。試驗機參數：ZBC2302-BE 夏比擺錘沖擊試驗機量程為300J，分辨率為0.1J，擺錘仰角、打擊速度、擺錘重量及支座間距均相同，唯一不同的是國標采用的擺錘打擊刀刃半徑為2mm，美標采用的擺錘打擊刀刃為半徑為8mm。

4 結論

（1）GB/T 229-2020和ASTM E23-2018 兩者在檢測方法上最主要的區別是：擺錘打擊刀刃半徑不同，國標采用的擺錘打擊刀刃半徑為2mm，美標采用的擺錘打擊刀刃為半徑為8mm。

（2）TC4 鈦合金室溫沖擊性能，按照GB/T 229-2020 和ASTM E23-2018 標準試驗測得的結果相近。是因為該材料TC4 鈦合金顯微組織是α+β 相形成的等軸組織，其初生α 含量超過50%，次生α 呈短棒狀錯綜分布這一組織特性導致其室溫環境中韌性中等偏低，擺錘刀刃在試樣上作用面積的大小對試樣消耗在彈性變形和塑性變形階段能量大小的影響減小，所以美標KV8 值和國標KV2 值相差不大。這與孫紹廣等人發表的不同擺錘刀刃對沖擊試驗的影響，在低能量范圍采用8mm 擺錘刀刃和2mm 擺錘刀刃測試得到的沖擊吸收能量結果基本相近相符合。說明TC4 鈦合金沖擊韌性在檢測方法上對其性能影響不明顯。