分享：TC4钛合金棒材室温拉伸强度偏低的原因

摘 要:通过化学成分分析、硬度试验、室温拉伸试验以及显微组织观察等方法,分析了 TC4钛 合金棒材室温拉伸强度偏低的原因。结果表明:TC4钛合金棒材室温下的抗拉强度和屈服强度偏 低的主要原因是其热处理工艺中的冷却方式为炉冷,冷却速率较慢,导致其初生α相含量较高,且 出现了少量较宽的短棒状次生α相。 

关键词:TC4钛合金;拉伸试验;室温 

中图分类号:TG142.1                文献标志码:A               文章编号:1001-4012(2021)11-0006-04

TC4钛合金是一种中等强度的钛合金,因其塑 性变形能力强、耐蚀性好、比强度高、钝化能力强以 及550℃以下抗氧化性能好等特点,被称为“万能合 金”[1-2],广泛应用于航空航天、生物医学及化学工业 等领域[3-5]。然而,TC4钛合金屈服极限高、变形抗 力大和屈服强度与极限强度比值高等成为限制其塑 性变形能力提高的主要原因[1]。吕钢等[6]研究了热 循环对TC4钛合金在室温和低温条件下拉伸性能 的影响,结果表明随热循环次数的增加,TC4合金 抗拉强度和屈服强度提高,延伸率略有升高。经 500次循环后在78K进行拉伸时,试样的延伸率显 著上升且伴有拉伸应力跃升的现象。高禹等[7]研究 了不同时效状态 TC4钛合金在77~300K 温度区 间内的拉伸性能,结果表明随着试验温度的降低, 拉伸断口附近位错分布不均匀性逐渐增大。丁嘉健 等[8]研究了TC4钛合金在20,300,600,700,800℃ 时的拉伸性能,结果表明温度低于500 ℃时,TC4 钛合金的塑性较差,温度高于600℃时,TC4钛合 金的塑性较好。材料的成分、组织、热处理工艺与性 能之间的关系是密不可分的,以上研究仅侧重于试 验温度对TC4钛合金塑性的影响。

通过室温拉伸试验测得的 R12型 TC4合金棒 材的强度偏低。笔者在以往研究的基础上,通过布 氏硬度分析、化学成分分析、显微组织观察和拉伸试 验参数影响分析,分析了R12型TC4合金棒材拉伸 强度偏低的原因。

1 室温拉伸性能 

采用电子万能试验机,对R12型TC4钛合金棒 材(记 为 R12-TC4)进 行 拉 伸 试 验,试 验 温 度 为25℃,试样尺寸见图1。参照 ASTM E8/E8M2016aStandardTestMethodsforTensionTesting ofMetallicMaterials的拉伸试验方法,屈服前拉 伸速度为0.005mm/min,屈服后为8mm/min,设 置两个平行试样,分别记 为 R12-TC4-1 和 R12- TC4-2,其轴向应力-应变曲线如图2所示。Rm 为 抗拉强度、Rp0.2 为屈服强度、A 为断后伸长率、Z 为 断面收缩率。

R12-TC4钛合金的拉伸性能如表1所示,可以看 出R12-TC4-1与R12-TC4-2试样的抗拉强度和屈服 强度均低于标准值,而其断后延伸率和断面收缩率均 高于SAEAMS4928R-2007TitaniumAlloyBars, Wire,Forgings,andRings,andDrawnShapes6Al 4VAnnealed标准值,即R12-TC4-1与R12-TC4-2试 样的拉伸性能均不符合标准要求。 

2 试验方法 

2.1 布氏硬度检测 

由于材料硬度与抗拉强度之间存在对应关系[9-10],且特别适用于晶粒粗大的金属材料[11-12]。 因此采用 HB3000C型布氏硬度计对合金进行硬度 测量,试验方法按照 GB/T231.1-2018《金属材料 布氏硬度试验 第一部分:试验方法》。R12-TC4钛 合金布氏硬度 通 常 在 330 HB 左 右。对 直 径 为 10mm的R12-TC4钛合金球施加29.4kN 的试验 力,使压头压入试样表面,保持30s后,去除试验 力,测量试样表面的压痕直径。 

2.2 化学成分分析 

根据ASTME2371-2013StandardTestMethod ForAnalysisofTitaniumAndTitanium AlloysBy Direct Current Plasma And Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry (Performance-Based Test Methodology), ASTM E1409 - 2013 Standard Test Method for DeterminationofOxygenandNitrogeninTitanium andTitanium AlloysbyInertGasFusion,ASTM E1447 - 2009 Standard Test Method for Determination of Hydrogen in Titanium and Titanium Alloys by Inert Gas Fusion Thermal Conductivity/Infrared Detection Method, ASTM E1941 - 2010 Standard Test Method for DeterminationofCarboninRefractoryandReactive MetalsandTheirAlloysbyCombustionAnalysis,测 定R12-TC4钛合金的化学成分。 

采用 OPTIMA-4300V型电感耦合等离子体发 射光谱仪(美国PE公司)和LECO公司的气体元素 分析仪对试样的化学成分进行测量。将0.1g试样溶解于由5mLH2O+2mL氢氟酸+1mL硝酸配 制而成的溶液中,正常溶解时不用加热,完全溶解后 将溶液转移至100mL塑料容量瓶中定容、摇匀,再 进行测量。碳的测量:将0.3g屑状试样与1g铜屑 (助熔剂)置于瓷坩埚中,分析时间为35s。氧、氮的 测量:将0.1g块状试样与镍篮(助熔剂)置于石墨坩 埚中,脱气功率为5500W,分析功率为5000W,氧 的分析时间为40s,氮的分析时间为60s。氢的测 量:将0.15g试样加入1g锡片(助熔剂)中,脱气功 率为3500W,分析功率为3200W,分析时间为60s。

2.3 合金型号对比分析 

参照ISO-6892-1-2016 《金属材料-拉伸试验 第1部分:室温测试方法 》,屈服前拉伸速度为 0.005mm/min,屈服后为8mm/min。为排除拉伸 试验参数的影响,选用R7型TC4钛合金(记为 R7- TC4)作为对比试样,分析合金型号 TC4钛合金拉 伸性能的影响。R7-TC4钛合金的拉伸试样尺寸如 图3所示。 

2.4 显微组织观察 

显微组织分析是金属材料试验研究的重要内容 之一,能够采用定量金相学原理,测量和计算合金组 织的三维空间形貌,建立合金成分、组织和性能间的 定量关系。具有精度高、速度快等优点,可大大提高 工作效率[13-14]。

通过不同处理工艺,TC4钛合金可以获得马氏 体组织、粗大网篮组织、针状组织、魏氏组织、蠕虫状 组织和等轴α组织+块状双态组织。其中,等轴α 组织+块状双态组织的塑性好于其它组织[15]。采 用ZeissAxiovert200MAT型金相显微镜对拉伸性 能偏低的试样和拉伸性能正常的试样进行观察,根 据SAEAMS2643E:2012StructuralExamination of Titanium Alloys Chemical Etch Inspection Procedure,将试样进行逐级打磨、抛光、浸蚀后,用 酒精清洗并吹干后待用,浸蚀溶液由5%(体积分 数)HF+12%(体积分数)HNO3+80%(体积分数)H2O配置而成。 

3 结果与讨论 

3.1 布氏硬度试验 

测得 R12-TC4-1 试样的布氏硬度平均值为 287.2 HB,TC4-2 试 样 的 布 氏 硬 度 平 均 值 为 288.8HB,其测量结果均低于正常值(330HB);抗 拉强度Rm 与布氏硬度 HB 之间存在强相关性[16], 即Rm/HB≈3.19。因此,R12-TC4-1和 R12-TC4-2 试样 的 抗 拉 强 度 分 别 应 为 916.17 MPa 和 921.27MPa。对比表1中的抗拉强度,通过布氏硬 度推测出的抗拉强度与实测抗拉强度相差不大,因 此排除人为因素影响。

3.2 化学成分分析 

参照GB/T3620.1-2007《钛及钛合金牌号和 化学成分》,由表2可见,R12-TC4钛合金的化学成 分均符合标准的技术要求。

3.3 合金型号对TC4钛合金拉伸性能的影响 

R7-TC4钛合金的拉伸试验结果见表3,其轴向 应力-应变曲线如图4所示。表3均为修约后数据, 修约标准参考 GB/T8170-2008《数值修约规则与 极限数值的表示和规定》。

由表3和图4可知,R7-TC4钛合金的屈服强 度均高于R12-TC4钛合金,但其抗拉强度和屈服强 度均低于 GB/T13810-2007《外科植入物用钛及 钛合金加工材》标准值,这是因为 R7-TC4钛合金屈 服前的拉伸速度较高,其屈服强度有所提高,但提高 幅度有限,这不是造成TC4钛合金拉伸强度偏低的 主要原因。

3.4 显微组织观察 

由图5a)可知,拉伸性能不合格的 R12-TC4钛 合金试样的显微组织为β转变基体上的等轴状α组 织(初生α相)和短棒状α组织(次生α相),初生α 相体积分数在60%左右。R12-TC4钛合金为α+β 两相钛合金,初生α相对钛合金的塑性影响较大,次 生α相对钛合金的强度影响较大[17]。根据 GB/T 6611-2008《钛及钛合金术语和金相图谱》,在加热 到高于α+β两相共存区温度后以一定的速率冷却, 或在高于α+β两相共存区温度变形,均可形成这种 组织。在两相区较低温度加热时,组织中保留了大量 初生α相,空冷后为初生α相+少量β相。当次生α 相宽度增加时,R12-TC4钛合金的强度降低,塑性增 加,随着R12-TC4钛合金中初生α相含量的降低,其 拉伸强度有所提高,随着冷却速率的加快,其强度逐 渐提高。因为,R12-TC4钛合金热处理工艺中冷却方 式为炉冷,冷却速度较慢,导致其初生α相含量升高, 且出现了少量较宽的短棒状次生α相,这是R12-TC4 钛合金拉伸性能偏低的主要原因。 

拉伸性能合格的 R12-TC4钛合金试样的抗拉 强度为980MPa,屈服强度为895MPa,断后伸长率 为19%,断面收缩率为42%。由图5b)可知,拉伸式及工艺参数,对旋压工艺也进行了改进、完善。然 后,将该批剩余原材料重新进行试生产。经生产验证: 改进工艺后大型筒形件的变形量、探伤结果、水压试验 强度等均满足产品技术要求,没有出现旋压开裂、水压 试验开裂的情况。产品正式恢复生产后,质量稳定,这 表明开裂原因分析准确,改进措施实施有效。

4 结论 

(1)该批大型筒形件旋压开裂的主要原因是热 处理时冷却方式选取不当,导致组织不均匀,硬度不 均匀。另外,原材料中存在脆性化合物,导致材料塑 性变形能力降低也是发生开裂的次要原因。 

(2)改进热处理工艺,选用适用于大型工件的 双向交替冷却方式,并对旋压工艺进行改进、完善后 旋压件均未发生开裂,产品性能满足技术要求。 

参考文献: 

[1] 刘正义.机械装置失效分析图谱[M].广州:广东科技 出版社,1990:468. 

[2] 胡世炎.机械失效分析手册[M].成都:四川科学技术 出版社,1989:96-97. 

<文章来源   >材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 57卷 > 11期 (pp:6-9)>