TC4鈦合金是20世紀40年代初期研制成功的一種中等強度的口β型鈦合金，具有優(yōu)良的綜合性能，譽稱萬能合金，是最早最廣泛用于飛機結(jié)構(gòu)的通用鈦合金，包括板材、棒材和鍛鑄件等，主要用于制作飛機結(jié)構(gòu)中梁、接頭和隔框等中等承力構(gòu)件及緊固件、發(fā)動機風扇和壓氣機盤及葉片等[1-3]。我國幅員廣闊，南北溫差大，最低溫度曾達到-52.3℃。在低溫環(huán)境及介質(zhì)條件下，材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)可能會有所改變，并引起材料的力學、物理性能的變化[4-6]。如果TC4鈦合金在低溫環(huán)境中發(fā)生了影響材料性能的微觀組織變化，將對航空發(fā)動機的飛行壽命和飛機的飛行安全造成極大的影響。因此了解TC4鈦合金在低溫環(huán)境條件下的力學和物理特性及微觀組織變化，對航空發(fā)動機與飛機的結(jié)構(gòu)設計和構(gòu)件的安全使用至關重要。

1、實驗材料與實驗方法

本工作所用TC4鈦合金取自直徑14mm的熱軋棒材。該棒材的熱處理制度為在750℃下保溫1.5h，然后空冷。合金的化學成分如表1所示。TC4棒材參照GB/T 13239-2006標準加工成如圖1所示的低溫拉伸試樣。實驗過程如下：首先在室溫下將試樣夾持固定在恒溫箱內(nèi)；然后利用液氮將恒溫箱冷卻到243K；試樣在低溫環(huán)境中靜置45min后，在該環(huán)境中 以0.2mm/min的加載速率測試其拉伸性能。對原始狀態(tài)試樣和經(jīng)過相同低溫處理但沒有進行拉伸測試的試樣，利用X射線衍射(XRD)研究合金的相組成，然后比較其變化。對原始狀態(tài)試樣和經(jīng)低溫處理后但沒有進行拉伸測試的試樣進行表面拋光和腐蝕后，利用金相顯微鏡對比觀察合金的金相組織。腐蝕劑由10mL HF，5mL HNO。和85mL H20混合而成。

2、結(jié)果與討論

圖2為TC4鈦合金在243K低溫下的典型拉伸應力一應變曲線。由圖可知，TC4鈦合金在243K低溫下的拉伸過程中，當達到屈服強度后，隨著應變的增加，應力略微增加，當應變量達到2％直到接近瞬斷前，應力基本維持不變即屈服強度很高。這說明TC4合金在低溫下仍具有良好的塑性，在恒應力下發(fā)生塑性滾動，低溫下拉伸斷裂時，出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，呈現(xiàn)塑性斷裂特征。

表2列出了TC4鈦合金在室溫下和243K低溫下的拉伸性能。由表可知，TC4鈦合金在243K低溫環(huán)境下的抗拉強度和屈服強度明顯高于室溫下的抗拉強度和屈服強度，這說明，低溫處理使TC4的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了有利于拉伸性能的變化，因為其力學性能和使用性能在很大程度上取決于顯微組織[7]。但是TC4鈦合金在低溫下的延伸率明顯降低了，說明雖然TC4 在243K低溫下仍然具有良好塑性，但是其塑性比室溫有所下降。

圖3示出了TC4鈦合金原始狀態(tài)和經(jīng)低溫處理后的微觀組織結(jié)構(gòu)。由圖3a可知，原始狀態(tài)時，TC4是由a固溶體和存在于a晶粒間的p固溶體析出相，即魏氏體a相組成。由圖3b可知，低溫處理后，TC4鈦合金的顯微結(jié)構(gòu)在光學顯微尺度下并沒有明顯的變化。

圖4給出了TC4鈦合金原始狀態(tài)和低溫處理狀態(tài)的XRD曲線，圖中TC4代表原始狀態(tài)，TCAT代表低溫處理狀態(tài)。由原始狀態(tài)的XRD曲線可知，原始TCA鈦合金具有巾Ti和pTi兩種相結(jié)構(gòu)，且a固溶體沿(101)晶面具有明顯的取向生長，這個結(jié)果與圖3所示顯微結(jié)構(gòu)是一致的。低溫處理后TCA鈦合金中的相結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生本質(zhì)變化，仍然是α-Ti和β-Ti兩種相結(jié)構(gòu)。從圖中兩個特征峰的強度來看，低溫處理前后p固溶體的相結(jié)構(gòu)基本沒有變化。但低溫處理后，α固溶體的(101)晶面的特征峰強度變?nèi)?，而其他晶面的特征峰強度沒有改變，說明a固溶體沿(101)晶面的取向變差。取向性變差后，裂紋沿著(101)面持續(xù)擴展的難度變大，鈦合金的抵抗斷裂的能力提高，導致TCA鈦合金在243K低溫下的抗拉強度提高，而塑性有所下降。

3、結(jié)論

(1)TC4鈦合金在243K的拉伸強度和屈服強度高于室溫時的值，但延伸率有一定程度的下降。

(2)243K低溫下，a固溶體取向性變差是TC4鈦合金低溫拉伸強度和屈服強度提高的原因。

參考文獻

[1] 楊健．鈦合金在飛機上的應用[J]．航空制造技術，2005，(11)，41--43e

[2] 趙永慶．鈦合金TCA的研究開發(fā)與應用[J]．鈦工業(yè)進展，2003。20(4—5)：35—40．

[3]劉瑩，曲周德，王本賢．鈦合金TC4的研究開發(fā)與應用[J]．兵器材料科學與工程，2005．28(1)：37--50．

[4]劉春立，何濤，富大欣．航天結(jié)構(gòu)材料低溫力學性能測試技術[刀．低溫工程，1999，(3),17～23．

[53陳鼎。黃培云．鈦和鈦合金在低溫下的力學性能[J]．礦冶工程，2002，22(3)：111—114．

[6]高禹，何世禹，楊德莊，等．低溫對時效態(tài)TC4合金拉伸性能的影響[J]．材料科學與工藝，2002。10(4)，352—356．

[7]周偉，曲恒磊，趙永慶，等．熱處理對TCA臺金組織與性能的影響口]．熱加工工藝，2005，(8)：26—27．

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