摘 要:通過化學成分分析、硬度試驗、室溫拉伸試驗以及顯微組織觀察等方法,分析了 TC4鈦 合金棒材室溫拉伸強度偏低的原因。結果表明:TC4鈦合金棒材室溫下的抗拉強度和屈服強度偏 低的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,導致其初生α相含量較高,且 出現了少量較寬的短棒狀次生α相。
關鍵詞:TC4鈦合金;拉伸試驗;室溫
中圖分類號:TG142.1 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2021)11-0006-04
TC4鈦合金是一種中等強度的鈦合金,因其塑 性變形能力強、耐蝕性好、比強度高、鈍化能力強以 及550℃以下抗氧化性能好等特點,被稱為“萬能合 金”[1-2],廣泛應用于航空航天、生物醫學及化學工業 等領域[3-5]。然而,TC4鈦合金屈服極限高、變形抗 力大和屈服強度與極限強度比值高等成為限制其塑 性變形能力提高的主要原因[1]。呂鋼等[6]研究了熱 循環對TC4鈦合金在室溫和低溫條件下拉伸性能 的影響,結果表明隨熱循環次數的增加,TC4合金 抗拉強度和屈服強度提高,延伸率略有升高。經 500次循環后在78K進行拉伸時,試樣的延伸率顯 著上升且伴有拉伸應力躍升的現象。高禹等[7]研究 了不同時效狀態 TC4鈦合金在77~300K 溫度區 間內的拉伸性能,結果表明隨著試驗溫度的降低, 拉伸斷口附近位錯分布不均勻性逐漸增大。丁嘉健 等[8]研究了TC4鈦合金在20,300,600,700,800℃ 時的拉伸性能,結果表明溫度低于500 ℃時,TC4 鈦合金的塑性較差,溫度高于600℃時,TC4鈦合 金的塑性較好。材料的成分、組織、熱處理工藝與性 能之間的關系是密不可分的,以上研究僅側重于試 驗溫度對TC4鈦合金塑性的影響。
通過室溫拉伸試驗測得的 R12型 TC4合金棒 材的強度偏低。筆者在以往研究的基礎上,通過布 氏硬度分析、化學成分分析、顯微組織觀察和拉伸試 驗參數影響分析,分析了R12型TC4合金棒材拉伸 強度偏低的原因。
1 室溫拉伸性能
采用電子萬能試驗機,對R12型TC4鈦合金棒 材(記 為 R12-TC4)進 行 拉 伸 試 驗,試 驗 溫 度 為25℃,試樣尺寸見圖1。參照 ASTM E8/E8M2016aStandardTestMethodsforTensionTesting ofMetallicMaterials的拉伸試驗方法,屈服前拉 伸速度為0.005mm/min,屈服后為8mm/min,設 置兩個平行試樣,分別記 為 R12-TC4-1 和 R12- TC4-2,其軸向應力-應變曲線如圖2所示。Rm 為 抗拉強度、Rp0.2 為屈服強度、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試樣的抗拉強度和屈服 強度均低于標準值,而其斷后延伸率和斷面收縮率均 高于SAEAMS4928R-2007TitaniumAlloyBars, Wire,Forgings,andRings,andDrawnShapes6Al 4VAnnealed標準值,即R12-TC4-1與R12-TC4-2試 樣的拉伸性能均不符合標準要求。
2 試驗方法
2.1 布氏硬度檢測
由于材料硬度與抗拉強度之間存在對應關系[9-10],且特別適用于晶粒粗大的金屬材料[11-12]。 因此采用 HB3000C型布氏硬度計對合金進行硬度 測量,試驗方法按照 GB/T231.1-2018《金屬材料 布氏硬度試驗 第一部分:試驗方法》。R12-TC4鈦 合金布氏硬度 通 常 在 330 HB 左 右。對 直 徑 為 10mm的R12-TC4鈦合金球施加29.4kN 的試驗 力,使壓頭壓入試樣表面,保持30s后,去除試驗 力,測量試樣表面的壓痕直徑。
2.2 化學成分分析
根據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,測 定R12-TC4鈦合金的化學成分。
采用 OPTIMA-4300V型電感耦合等離子體發 射光譜儀(美國PE公司)和LECO公司的氣體元素 分析儀對試樣的化學成分進行測量。將0.1g試樣溶解于由5mLH2O+2mL氫氟酸+1mL硝酸配 制而成的溶液中,正常溶解時不用加熱,完全溶解后 將溶液轉移至100mL塑料容量瓶中定容、搖勻,再 進行測量。碳的測量:將0.3g屑狀試樣與1g銅屑 (助熔劑)置于瓷坩堝中,分析時間為35s。氧、氮的 測量:將0.1g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0.15g試樣加入1g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 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 試驗參數的影響,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。R7-TC4鈦合金的拉伸試樣尺寸如 圖3所示。
2.4 顯微組織觀察
顯微組織分析是金屬材料試驗研究的重要內容 之一,能夠采用定量金相學原理,測量和計算合金組 織的三維空間形貌,建立合金成分、組織和性能間的 定量關系。具有精度高、速度快等優點,可大大提高 工作效率[13-14]。
通過不同處理工藝,TC4鈦合金可以獲得馬氏 體組織、粗大網籃組織、針狀組織、魏氏組織、蠕蟲狀 組織和等軸α組織+塊狀雙態組織。其中,等軸α 組織+塊狀雙態組織的塑性好于其它組織[15]。采 用ZeissAxiovert200MAT型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行觀察,根 據SAEAMS2643E:2012StructuralExamination of Titanium Alloys Chemical Etch Inspection Procedure,將試樣進行逐級打磨、拋光、浸蝕后,用 酒精清洗并吹干后待用,浸蝕溶液由5%(體積分 數)HF+12%(體積分數)HNO3+80%(體積分數)H2O配置而成。
3 結果與討論
3.1 布氏硬度試驗
測得 R12-TC4-1 試樣的布氏硬度平均值為 287.2 HB,TC4-2 試 樣 的 布 氏 硬 度 平 均 值 為 288.8HB,其測量結果均低于正常值(330HB);抗 拉強度Rm 與布氏硬度 HB 之間存在強相關性[16], 即Rm/HB≈3.19。因此,R12-TC4-1和 R12-TC4-2 試樣 的 抗 拉 強 度 分 別 應 為 916.17 MPa 和 921.27MPa。對比表1中的抗拉強度,通過布氏硬 度推測出的抗拉強度與實測抗拉強度相差不大,因 此排除人為因素影響。
3.2 化學成分分析
參照GB/T3620.1-2007《鈦及鈦合金牌號和 化學成分》,由表2可見,R12-TC4鈦合金的化學成 分均符合標準的技術要求。
3.3 合金型號對TC4鈦合金拉伸性能的影響
R7-TC4鈦合金的拉伸試驗結果見表3,其軸向 應力-應變曲線如圖4所示。表3均為修約后數據, 修約標準參考 GB/T8170-2008《數值修約規則與 極限數值的表示和規定》。
由表3和圖4可知,R7-TC4鈦合金的屈服強 度均高于R12-TC4鈦合金,但其抗拉強度和屈服強 度均低于 GB/T13810-2007《外科植入物用鈦及 鈦合金加工材》標準值,這是因為 R7-TC4鈦合金屈 服前的拉伸速度較高,其屈服強度有所提高,但提高 幅度有限,這不是造成TC4鈦合金拉伸強度偏低的 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 相體積分數在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相對鈦合金的強度影響較大[17]。根據 GB/T 6611-2008《鈦及鈦合金術語和金相圖譜》,在加熱 到高于α+β兩相共存區溫度后以一定的速率冷卻, 或在高于α+β兩相共存區溫度變形,均可形成這種 組織。在兩相區較低溫度加熱時,組織中保留了大量 初生α相,空冷后為初生α相+少量β相。當次生α 相寬度增加時,R12-TC4鈦合金的強度降低,塑性增 加,隨著R12-TC4鈦合金中初生α相含量的降低,其 拉伸強度有所提高,隨著冷卻速率的加快,其強度逐 漸提高。因為,R12-TC4鈦合金熱處理工藝中冷卻方 式為爐冷,冷卻速度較慢,導致其初生α相含量升高, 且出現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 強度為980MPa,屈服強度為895MPa,斷后伸長率 為19%,斷面收縮率為42%。由圖5b)可知,拉伸式及工藝參數,對旋壓工藝也進行了改進、完善。然 后,將該批剩余原材料重新進行試生產。經生產驗證: 改進工藝后大型筒形件的變形量、探傷結果、水壓試驗 強度等均滿足產品技術要求,沒有出現旋壓開裂、水壓 試驗開裂的情況。產品正式恢復生產后,質量穩定,這 表明開裂原因分析準確,改進措施實施有效。
4 結論
(1)該批大型筒形件旋壓開裂的主要原因是熱 處理時冷卻方式選取不當,導致組織不均勻,硬度不 均勻。另外,原材料中存在脆性化合物,導致材料塑 性變形能力降低也是發生開裂的次要原因。
(2)改進熱處理工藝,選用適用于大型工件的 雙向交替冷卻方式,并對旋壓工藝進行改進、完善后 旋壓件均未發生開裂,產品性能滿足技術要求。
參考文獻:
[1] 劉正義.機械裝置失效分析圖譜[M].廣州:廣東科技 出版社,1990:468.
[2] 胡世炎.機械失效分析手冊[M].成都:四川科學技術 出版社,1989:96-97.