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TC4鈦合金是一種中等強(qiáng)度的鈦合金，因其塑性變形能力強(qiáng)、耐蝕性好、比強(qiáng)度高、鈍化能力強(qiáng)以及550℃以下抗氧化性能好等特點(diǎn)，被稱為“萬能合金”，廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)及化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域。然而，TC4鈦合金屈服極限高、變形抗力大和屈服強(qiáng)度與極限強(qiáng)度比值高等成為限制其塑性變形能力提高的主要原因。

通過室溫拉伸試驗(yàn)測得的R12型TC4合金棒材的強(qiáng)度偏低。研究人員在以往研究的基礎(chǔ)上，通過布氏硬度分析、化學(xué)成分分析、顯微組織觀察和拉伸試驗(yàn)參數(shù)影響分析，分析了R12型TC4合金棒材拉伸強(qiáng)度偏低的原因。

1、室溫拉伸性能

采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)，對R12型TC4鈦合金棒材(記為R12-TC4)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為25℃。

參照ASTM E8/E8M-2016a Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials的拉伸試驗(yàn)方法，屈服前拉伸速度為0.005mm/min，屈服后為8mm/min，設(shè)置兩個平行試樣，分別記為R12-TC4-1和R12-TC4-2，其軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。Rm為抗拉強(qiáng)度、Rp0.2為屈服強(qiáng)度、A為斷后伸長率、Z為斷面收縮率。

R12-TC4鈦合金的拉伸性能如表1所示，可以看出R12-TC4-1與R12-TC4-2試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均低于標(biāo)準(zhǔn)值，而其斷后延伸率和斷面收縮率均高于SAE AMS 4928R-2007 Titanium Alloy Bars, Wire, Forgings, and Rings, and Drawn Shapes 6Al4V Annealed標(biāo)準(zhǔn)值，即R12-TC4-1與R12-TC4-2試樣的拉伸性能均不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 R12-TC4鈦合金的拉伸性能

2、試驗(yàn)方法

2.1 布氏硬度檢測

由于材料硬度與抗拉強(qiáng)度之間存在對應(yīng)關(guān)系，且特別適用于晶粒粗大的金屬材料。因此采用HB3000C型布氏硬度計(jì)對合金進(jìn)行硬度測量，試驗(yàn)方法按照GB/T 231.1—2018《金屬材料布氏硬度試驗(yàn) 第一部分：試驗(yàn)方法》。R12-TC4鈦合金布氏硬度通常在330HB左右。對直徑為10mm的R12-TC4鈦合金球施加29.4kN的試驗(yàn)力，使壓頭壓入試樣表面，保持30s后，去除試驗(yàn)力，測量試樣表面的壓痕直徑。

2.2 化學(xué)成分分析

采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀和氣體元素分析儀對試樣的化學(xué)成分進(jìn)行測量。將試樣溶解于由H2O、氫氟酸和硝酸配制而成的溶液中，正常溶解時不用加熱，完全溶解后將溶液定容、搖勻，再進(jìn)行測量。

碳的測量：將屑狀試樣與銅屑(助熔劑)置于瓷坩堝中，分析時間為35s。

氧、氮的測量：將塊狀試樣與鎳籃(助熔劑)置于石墨坩堝中，脫氣功率為5500W，分析功率為5000W，氧的分析時間為40s，氮的分析時間為60s。

氫的測量：將試樣加入錫片(助熔劑)中，脫氣功率為3500W，分析功率為3200W，分析時間為60s。

2.3 合金型號對比分析

參照ISO-6892-1—2016 《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫測試方法 》，屈服前拉伸速度為0.005mm/min，屈服后為8mm/min。為排除拉伸試驗(yàn)參數(shù)的影響，選用R7型TC4鈦合金(記為R7-TC4)作為對比試樣，分析合金型號TC4鈦合金拉伸性能的影響。

2.4 顯微組織觀察

顯微組織分析是金屬材料試驗(yàn)研究的重要內(nèi)容之一，能夠采用定量金相學(xué)原理，測量和計(jì)算合金組織的三維空間形貌，建立合金成分、組織和性能間的定量關(guān)系。具有精度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，可大大提高工作效率。

通過不同處理工藝，TC4鈦合金可以獲得馬氏體組織、粗大網(wǎng)籃組織、針狀組織、魏氏組織、蠕蟲狀組織和等軸α組織+塊狀雙態(tài)組織。其中，等軸α組織+塊狀雙態(tài)組織的塑性好于其它組織。采用金相顯微鏡對拉伸性能偏低的試樣和拉伸性能正常的試樣進(jìn)行觀察，根據(jù)SAE AMS 2643E:2012 Structural Examination of Titanium Alloys Chemical Etch Inspection Procedure，將試樣進(jìn)行逐級打磨、拋光、浸蝕后，用酒精清洗并吹干后待用，浸蝕溶液由HF、HNO3和H2O配置而成。

3、結(jié)果與討論

3.1 布氏硬度試驗(yàn)

測得R12-TC4-1試樣的布氏硬度平均值為287.2HB，TC4-2試樣的布氏硬度平均值為288.8HB，其測量結(jié)果均低于正常值(330HB);抗拉強(qiáng)度Rm與布氏硬度HB 之間存在強(qiáng)相關(guān)性，即Rm/HB≈3.19。因此，R12-TC4-1和R12-TC4-2試樣的抗拉強(qiáng)度分別應(yīng)為916.17MPa 和921.27MPa。對比表1中的抗拉強(qiáng)度，通過布氏硬度推測出的抗拉強(qiáng)度與實(shí)測抗拉強(qiáng)度相差不大，因此排除人為因素影響。

3.2 化學(xué)成分分析

參照GB/T 3620.1—2007《鈦及鈦合金牌號和化學(xué)成分》可知，R12-TC4鈦合金的化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。

3.3 合金型號對TC4鈦合金拉伸性能的影響

R7-TC4鈦合金的拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表2，其軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。表2均為修約后數(shù)據(jù)，修約標(biāo)準(zhǔn)參考GB/T 8170—2008《數(shù)值修約規(guī)則與極限數(shù)值的表示和規(guī)定》。

表2 R7-TC4鈦合金的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

R7-TC4鈦合金的屈服強(qiáng)度均高于R12-TC4鈦合金，但其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均低于GB/T 13810—2007《外科植入物用鈦及鈦合金加工材》標(biāo)準(zhǔn)值，這是因?yàn)镽7-TC4鈦合金屈服前的拉伸速度較高，其屈服強(qiáng)度有所提高，但提高幅度有限，這不是造成TC4鈦合金拉伸強(qiáng)度偏低的主要原因。

3.4 顯微組織觀察

由圖5a)可知，拉伸性能不合格的R12-TC4鈦合金試樣的顯微組織為β轉(zhuǎn)變基體上的等軸狀α組織(初生α相)和短棒狀α組織(次生α相)，初生α相體積分?jǐn)?shù)在60%左右。R12-TC4鈦合金為α+β兩相鈦合金，初生α相對鈦合金的塑性影響較大，次生α相對鈦合金的強(qiáng)度影響較大。根據(jù)GB/T 6611—2008 《鈦及鈦合金術(shù)語和金相圖譜》，在加熱到高于α+β兩相共存區(qū)溫度后以一定的速率冷卻，或在高于α+β兩相共存區(qū)溫度變形，均可形成這種組織。在兩相區(qū)較低溫度加熱時，組織中保留了大量初生α相，空冷后為初生α相+少量β相。當(dāng)次生α相寬度增加時，R12-TC4鈦合金的強(qiáng)度降低，塑性增加，隨著R12-TC4鈦合金中初生α相含量的降低，其拉伸強(qiáng)度有所提高，隨著冷卻速率的加快，其強(qiáng)度逐漸提高。因?yàn)?，R12-TC4鈦合金熱處理工藝中冷卻方式為爐冷，冷卻速度較慢，導(dǎo)致其初生α相含量升高，且出現(xiàn)了少量較寬的短棒狀次生α相，這是R12-TC4鈦合金拉伸性能偏低的主要原因。

拉伸性能合格的R12-TC4鈦合金試樣的抗拉強(qiáng)度為980MPa，屈服強(qiáng)度為895MPa，斷后伸長率為19%，斷面收縮率為42%。由圖5b)可知，拉伸性能合格的R12-TC4鈦合金試樣的顯微組織中細(xì)條狀初生α相體積分?jǐn)?shù)在40%左右。對比圖5a)可知，隨著初生α相含量的下降和次生α相寬度的減小，R12-TC4鈦合金的強(qiáng)度增加，塑性無明顯變化。

4、結(jié)論

（1）R12型TC4鈦合金的布氏硬度與抗拉強(qiáng)度的實(shí)測值滿足Rm/HB≈3.19的關(guān)系，其化學(xué)成分符合技術(shù)要求。

（2） R12型TC4鈦合金棒材拉伸強(qiáng)度偏低與拉伸速度和試樣型號無明顯關(guān)系，其主要原因是其熱處理工藝中的冷卻方式為爐冷，冷卻速率較慢，導(dǎo)致其初生α相含量較多，且出現(xiàn)了少量較寬的短棒狀次生α相。

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