TC4(Ti-6Al-4V) 是目前用量最大、用途最為廣泛的鈦合金。通過不同的加工工藝改變TC4板材的顯微組織形貌，并使材料呈現(xiàn)出多樣化的性能特點，對于深入挖掘材料性能潛能，擴大材料應用場景有較大意義。材料韌性是材料變形時吸收能量的能力，常用沖擊韌性和斷裂韌性指標來表征材料韌性的優(yōu)劣[1]。本文通過對低間隙和高氧TC4鈦合金板材進行不同熱處理溫度退火，研究了熱處理溫度對板材沖擊韌性、顯微組織和裂紋擴展速率的影響規(guī)律。

一、實驗方法

1、實驗材料

本研究采用熱軋工藝生產(chǎn)的兩批次厚度10 mmTC4板材，兩批次板材分別編號為板材A、B。板材A為低間隙(ELI)TC4成分，板材B為高氧TC4成分(化學成分見表1)。板材熱軋至10 mm 后未經(jīng)熱處理，以熱軋狀態(tài)采用水切割方式取試樣坯。

2、板材熱處理

使用高精度箱式熱處理爐(±2 ℃) 對試樣坯進行熱處理，選取TC4再結晶溫度范圍進行再結晶退火熱處理(見表2)，熱處理時間均為60 min，冷卻方式為空氣冷卻。

3、性能測試

測試板材沖擊韌性和裂紋擴展速率以表征板材韌性，其中板材沖擊韌性實驗方法執(zhí)行GB/T 229—2007，測試方向為橫向，每個熱處理制度測試三個樣。裂紋擴展速率實驗方法執(zhí)行ASTM E647-15，測試方向為橫向。

2、結果與討論

1、沖擊韌性

表3 為熱軋態(tài)及經(jīng)不同溫度熱處理后低間隙TC4(A) 及高氧TC4板材(B) 的橫向室溫沖擊韌性測試數(shù)據(jù)。從表 3 可以看出，在各熱處理制度下低間隙 TC4板材室溫沖擊韌性均高于高氧 TC4鈦板材，降低板材氧含量可以提高板材塑性，降低強度水平，降低材料的脆性傾向，提高板材受外力沖擊時的能量吸收功，從而提高板材沖擊韌性[2]。

從表 3 可以看出，在 700~980 ℃ 范圍內(nèi)隨著退火溫度升高，板材A和B的沖擊韌性值均呈現(xiàn)出先下降后上升再下降的規(guī)律。低間隙 TC4(A) 板材經(jīng)780 ℃ 熱處理后沖擊韌性最小，平均達到 58.3 J/cm²；經(jīng) 900 ℃ 熱處理后沖擊韌性最大，平均達到 82.3 J/cm²。

高氧 TC4(B) 板 材經(jīng) 780 ℃ 熱 處理后沖擊韌性最小，平均達到33.7 J/cm2；在 940 ℃ 熱處理后沖擊韌性最大，平均達到 51.3 J/cm²。

2、顯微組織

圖 1 為板材 A、B 在熱軋態(tài)及沖擊韌性值最小、最大時對應熱處理制度下的顯微組織圖片。

從圖 1 可以看出，板材 A、B 熱軋態(tài)顯微組織均為初生等軸狀及長條狀 α+次生 α+β 轉變組織，板材 A 的次生 α 含量較板材 B 略多。經(jīng) 780 ℃ 熱處理后，板材發(fā)生再結晶及晶粒長大，板材 A、B 顯微組織類型與熱軋態(tài)相同，但初生等軸狀及長條狀α 均發(fā)生明顯長大。

板材 A 經(jīng) 900 ℃ 熱處理后，板材顯微組織為初生等軸狀 α+片層狀 α+β 轉變組織組成的雙態(tài)組織。

板材 B 經(jīng) 940 ℃ 熱處理后，板材顯微組織同樣呈現(xiàn)出雙態(tài)組織，但與板材 A 相比，板材 B 的初生等軸狀 α 含量較少，片層狀 α 含量較多且較為粗大。

等軸狀 α 組織通常具有較好的強度、塑性和抗疲勞裂紋萌生性能，片層狀 α 則具有較好的斷裂韌性和抗疲勞裂紋擴展性能，雙態(tài)組織則很好的綜合了等軸和片層狀組織在材料性能方面的優(yōu)點，較為均衡的抑制了裂紋萌生和擴展過程，提高材料韌性。與板材 B 相比，板材 A 等軸狀 α 含量更多，有利于提高板材整體塑性，降低 α 晶粒萌生裂紋的傾向；板材 A 片層狀 α 更為細小，晶界占比更大，有利于使室溫下沿晶裂紋擴展路徑曲折化。

2、裂紋擴展速率

板材 A 經(jīng) 780 ℃、900 ℃ 熱處理后及板材 B 經(jīng)780 ℃ 熱處理后橫向裂紋擴展速率分別代表低間隙板材沖擊韌性值最小、最大及高氧板材沖擊韌性值最小狀態(tài)下板材橫向裂紋擴展速率情況。板材 A 經(jīng)900℃ 熱處理后裂紋擴展速率最低；經(jīng) 780℃ 熱處理后次之；板材 B 經(jīng) 780℃ 熱處理后裂紋擴展速率最高；在裂紋擴展階段 3 種板材裂紋擴展速率的差異更為顯著。此外，板材 B 中較高的氧含量 (0.18%)會加劇晶粒尺寸對裂紋擴展速率的影響程度[3]。上述規(guī)律與沖擊韌性結果對材料的韌性評價結果相一致，沖擊韌性值越高，裂紋擴展速率越低，材料變形和斷裂時吸收的能量越高，材料抵抗變形和斷裂的能力越強。

三、結束語

TC4鈦合金板經(jīng)780 ℃ 熱處理后顯微組織類型為初生等軸狀及長條狀 α+次生 α+β 轉變組織，沖擊韌性低，裂紋擴展速率高；經(jīng) 900~940 ℃ 熱處理后顯微組織類型為雙態(tài)組織，沖擊韌性高，裂紋擴展速率低。板材氧含量對板材韌性影響顯著，降低氧含量會 顯著提高板材沖擊韌性，降低板材裂紋擴展速率。

參考文獻

[1] 鄭修麟. 材料的力學性能. 西安: 西北工業(yè)大學出版社, 2000

[2]張翥, 王群驕, 莫畏. 鈦的金屬學和熱處理. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2009

[3] 萊茵斯, 皮特爾斯. 鈦與鈦合金. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2005

作者簡介：高飛 (1986—)，男，陜西寶雞人，碩士，2012 年畢業(yè)于西安理工大學材料科學與工程專業(yè)，研究方向：鈦及鈦合金加工。通信地址：721014 陜西省寶雞市鈦城路 1 號寶鈦集團，E-mail：gaofei_828@qq.com。

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