TC4鈦合金是20世紀(jì)40年代初期研制成功的一種中等強(qiáng)度的口β型鈦合金，具有優(yōu)良的綜合性能，譽(yù)稱萬能合金，是最早最廣泛用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的通用鈦合金，包括鈦板材、鈦棒材和鍛鑄件等，主要用于制作飛機(jī)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(jī)風(fēng)扇和壓氣機(jī)盤及葉片等[1-3]。我國幅員廣闊，南北溫差大，最低溫度曾達(dá)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(xué)、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(jī)的飛行壽命和飛機(jī)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(xué)和物理特性及微觀組織變化，對航空發(fā)動機(jī)與飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和構(gòu)件的安全使用至關(guān)重要。

1、實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)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(xué)成分如表1所示。TC4棒材參照GB/T 13239-2006標(biāo)準(zhǔn)加工成如圖1所示的低溫拉伸試樣。實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jìn)行拉伸測試的試樣進(jìn)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(yīng)力一應(yīng)變曲線。由圖可知，TC4鈦合金在243K低溫下的拉伸過程中，當(dāng)達(dá)到屈服強(qiáng)度后，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力略微增加，當(dāng)應(yīng)變量達(dá)到2％直到接近瞬斷前，應(yīng)力基本維持不變即屈服強(qiáng)度很高。這說明TC4合金在低溫下仍具有良好的塑性，在恒應(yīng)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(qiáng)度和屈服強(qiáng)度明顯高于室溫下的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)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?yàn)槠淞W(xué)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(xué)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(qiáng)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(qiáng)度變?nèi)?，而其他晶面的特征峰?qiáng)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(kuò)展的難度變大，鈦合金的抵抗斷裂的能力提高，導(dǎo)致TCA鈦合金在243K低溫下的抗拉強(qiáng)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(qiáng)度和屈服強(qiáng)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(qiáng)度和屈服強(qiáng)度提高的原因。

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