TC4钛板TC4钛棒等钛合金材料的低温拉伸性能

TC4钛合金是20世纪40年代初期研制成功的一种中等强度的口β型钛合金，具有优良的综合性能，誉称万能合金，是最早最广泛用于飞机结构的通用钛合金，包括钛板材、钛棒材和锻铸件等，主要用于制作飞机结构中梁、接头和隔框等中等承力构件及紧固件、发动机风扇和压气机盘及叶片等[1-3]。我国幅员广阔，南北温差大，最低温度曾达到-52.3℃。在低温环境及介质条件下，材料内部组织结构可能会有所改变，并引起材料的力学、物理性能的变化[4-6]。如果TC4钛合金在低温环境中发生了影响材料性能的微观组织变化，将对航空发动机的飞行寿命和飞机的飞行安全造成极大的影响。因此了解TC4钛合金在低温环境条件下的力学和物理特性及微观组织变化，对航空发动机与飞机的结构设计和构件的安全使用至关重要。

1、实验材料与实验方法

本工作所用TC4钛合金取自直径14mm的热轧棒材。该棒材的热处理制度为在750℃下保温1.5h，然后空冷。合金的化学成分如表1所示。TC4棒材参照GB/T 13239-2006标准加工成如图1所示的低温拉伸试样。实验过程如下：首先在室温下将试样夹持固定在恒温箱内；然后利用液氮将恒温箱冷却到243K；试样在低温环境中静置45min后，在该环境中 以0.2mm/min的加载速率测试其拉伸性能。对原始状态试样和经过相同低温处理但没有进行拉伸测试的试样，利用X射线衍射(XRD)研究合金的相组成，然后比较其变化。对原始状态试样和经低温处理后但没有进行拉伸测试的试样进行表面抛光和腐蚀后，利用金相显微镜对比观察合金的金相组织。腐蚀剂由10mL HF，5mL HNO。和85mL H20混合而成。

2、结果与讨论

图2为TC4钛合金在243K低温下的典型拉伸应力一应变曲线。由图可知，TC4钛合金在243K低温下的拉伸过程中，当达到屈服强度后，随着应变的增加，应力略微增加，当应变量达到2％直到接近瞬断前，应力基本维持不变即屈服强度很高。这说明TC4合金在低温下仍具有良好的塑性，在恒应力下发生塑性滚动，低温下拉伸断裂时，出现颈缩现象，呈现塑性断裂特征。

表2列出了TC4钛合金在室温下和243K低温下的拉伸性能。由表可知，TC4钛合金在243K低温环境下的抗拉强度和屈服强度明显高于室温下的抗拉强度和屈服强度，这说明，低温处理使TC4的微观结构发生了有利于拉伸性能的变化，因为其力学性能和使用性能在很大程度上取决于显微组织[7]。但是TC4钛合金在低温下的延伸率明显降低了，说明虽然TC4 在243K低温下仍然具有良好塑性，但是其塑性比室温有所下降。

图3示出了TC4钛合金原始状态和经低温处理后的微观组织结构。由图3a可知，原始状态时，TC4是由a固溶体和存在于a晶粒间的p固溶体析出相，即魏氏体a相组成。由图3b可知，低温处理后，TC4钛合金的显微结构在光学显微尺度下并没有明显的变化。

图4给出了TC4钛合金原始状态和低温处理状态的XRD曲线，图中TC4代表原始状态，TCAT代表低温处理状态。由原始状态的XRD曲线可知，原始TCA钛合金具有巾Ti和pTi两种相结构，且a固溶体沿(101)晶面具有明显的取向生长，这个结果与图3所示显微结构是一致的。低温处理后TCA钛合金中的相结构没有发生本质变化，仍然是α-Ti和β-Ti两种相结构。从图中两个特征峰的强度来看，低温处理前后p固溶体的相结构基本没有变化。但低温处理后，α固溶体的(101)晶面的特征峰强度变弱，而其他晶面的特征峰强度没有改变，说明a固溶体沿(101)晶面的取向变差。取向性变差后，裂纹沿着(101)面持续扩展的难度变大，钛合金的抵抗断裂的能力提高，导致TCA钛合金在243K低温下的抗拉强度提高，而塑性有所下降。

3、结论

(1)TC4钛合金在243K的拉伸强度和屈服强度高于室温时的值，但延伸率有一定程度的下降。

(2)243K低温下，a固溶体取向性变差是TC4钛合金低温拉伸强度和屈服强度提高的原因。

参考文献

[1] 杨健．钛合金在飞机上的应用[J]．航空制造技术，2005，(11)，41--43e

[2] 赵永庆．钛合金TCA的研究开发与应用[J]．钛工业进展，2003。20(4—5)：35—40．

[3]刘莹，曲周德，王本贤．钛合金TC4的研究开发与应用[J]．兵器材料科学与工程，2005．28(1)：37--50．

[4]刘春立，何涛，富大欣．航天结构材料低温力学性能测试技术[刀．低温工程，1999，(3),17～23．

[53陈鼎。黄培云．钛和钛合金在低温下的力学性能[J]．矿冶工程，2002，22(3)：111—114．

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