鈦合金由于具有比強(qiáng)度高、耐蝕性好等特點(diǎn)，在航空、航天、海洋工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用 [1-3]。其中 α+β 兩相鈦合金兼具 α 鈦合金的熱穩(wěn)定性及 β 鈦合金的可熱處理強(qiáng)化等特點(diǎn)，表現(xiàn)出較好的綜合力學(xué)性能 [4-5]。TC4 鈦合金 ( Ti6Al-4V) 是一種典型的 α+β 兩相鈦合金，由于其優(yōu)異的綜合力學(xué)性能和良好的成形性，可制備板材、棒材、環(huán)材、管材等多種形式的產(chǎn)品，應(yīng)用范圍最為廣泛，被稱為 “萬能鈦合金”[6]。TC4 鈦合金經(jīng)不同的熱變形及熱處理工藝可以獲得不同的組織類型，例如，采用 α+β 兩相區(qū)變形可獲得典型的等軸組織，而對抗斷裂及裂紋擴(kuò)展能力要求較高的航空或海洋工程結(jié)構(gòu)件，可采用 β 熱變形或 β 熱處理工藝獲得具有較高損傷容限性能的網(wǎng)籃組織 [7]。

以往針對TC4鈦合金的研究主要關(guān)注熱變形及熱處理工藝對TC4鈦合金板材組織及力學(xué)性能的影響 [8-10]。蘇化冰等 [11] 研究了鍛造工藝對TC4鈦合金組織及沖擊韌性的影響，研究發(fā)現(xiàn)，TC4 鈦合金經(jīng) α+β 兩相區(qū)鍛造后均得到雙態(tài)組織，而隨著鍛造溫度升高，組織中等軸初生 α 相減少，尺寸減小，隨著鍛造后冷卻速率的降低，片層次生 α 相的尺寸增大，有利于提高TC4鈦合金的沖擊韌性。高飛等 [12] 研究了熱處理對TC4鈦合金板材韌性的影響，結(jié)果表明，等軸組織TC4鈦合金板材沖擊韌性低、裂紋擴(kuò)展速率高，而經(jīng)兩相區(qū)較高溫度退火后，TC4 鈦合金板材的顯微組織類型為雙態(tài)組織，其沖擊韌性升高，裂紋擴(kuò)展速率降低。

此外，由于鈦合金中密排六方 α 相具有較低的晶體對稱性，α+β 兩相鈦合金通常表現(xiàn)出一定程度的力學(xué)性能各向異性 [13-18]。藺海等 [19] 研究了板材的軋制方式和熱處理工藝對 TC4-DT 鈦合金板材各向異性的影響，與單向軋制相比，換向軋制 TC4-DT 鈦合金板材的組織破碎更充分，初生 α 相更小，無明顯的各向異性。同曉樂等 [20] 研究了不同軋制厚度 ( 0.8~2.0 mm)TC4鈦合金板材的組織與性能，結(jié)果表明，經(jīng)軋制退火后的TC4鈦合金板材組織為等軸組織，隨著板材厚度的減小，組織晶粒細(xì)化明顯，板材強(qiáng)度增大，并且其力學(xué)性能具有一定程度的各向異性，然而對板材各向異性產(chǎn)生的原因未做深入分析。白新房等 [21] 分析了TC4鈦合金寬幅厚板的組織結(jié)構(gòu)及織構(gòu)分布，研究了厚板不同位置的疲勞性能變化，結(jié)果表明，厚板不同位置處的組織與疲勞性能呈現(xiàn)較大差異，然而缺乏針對板材強(qiáng)度、韌性的研究。

隨著海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的實(shí)施，海洋工程領(lǐng)域?qū)�TC4鈦合金板材，尤其是低成本、高性能、大規(guī)格TC4鈦合金厚板的需求日益增大 [22-23]。目前針對TC4鈦合金板材的研究主要關(guān)注如何提升其綜合力學(xué)性能，而針對厚板的組織性能均勻性以及板材力學(xué)性能各向異性的研究較少。為此，本研究探索了不同熱變形工藝條件下TC4鈦合金厚板不同厚度位置以及不同方向的力學(xué)性能分布，揭示了TC4鈦合金厚板力學(xué)性能各向異性產(chǎn)生的原因，為高性能、大規(guī)格TC4鈦合金厚板的制備提供理論支撐。

1、試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為TC4鈦合金 (實(shí)測 Al 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 6.4%,V 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 4.3%), 用金相法測得其相變溫度為 ( 995±5) ℃。首先采用萬噸鍛造機(jī)，通過控制 β 區(qū)和兩相區(qū)的總變形量以及各火次的開鍛和終鍛溫度，增加TC4鈦合金的鍛透性，制備組織性能均勻的板坯。隨后分別采用 α+β 兩相區(qū) ( 880 ~940 ℃) 軋制和 β 單相區(qū) ( 高于相變溫度) 軋制兩種變形方式，軋制 50 mm 厚的成品板材。

顯微組織表征：從板材上切取尺寸為 10 mm×10 mm×10 mm 的試樣，經(jīng) 150#~3000# 砂紙機(jī)械研磨和拋光后，采用 Kroll 試劑進(jìn)行腐蝕處理，分別利用 Axiovert 200MAT 金相顯微鏡 (OM) 和 TESCAN MIRA3 場發(fā)射掃描電子顯微鏡 ( SEM) 對經(jīng)兩種不同工藝處理的TC4鈦合金板材進(jìn)行光學(xué)組織和高倍形貌觀察，并利用 Image-ProPlus6.0 圖像處理軟件計算組成相顯微結(jié)構(gòu)尺寸。最后，利用 Nordlys Max3 對TC4鈦合金板材的 α、β 兩相織構(gòu)進(jìn)行電子背散射衍射 ( EBSD) 表征，并且利用 HKL-Channel 5 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

力學(xué)性能測試：拉伸試驗(yàn)取直徑為 5 mm、標(biāo)距為 25 mm 的試樣，在 TSE105D 微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測試；V 型缺口沖擊試樣尺寸為 10 mm × 10 mm × 55 mm, 缺口深度為 2 mm, 在 HIT450P 擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測試；斷裂韌性采用厚度 B=30 mm、寬度 W=60 mm 的緊湊拉伸 (CT) 試樣，在 MTS 810 型伺服液壓試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測試。

2、試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

板材低倍形貌如圖 1 所示，其中板材軋向?yàn)?RD, 板材橫向?yàn)?TD, 板厚方向?yàn)?ND。可以看出，兩種鈦合金板材的縱截面組織均勻，其中 β 熱變形制備板材的低倍組織呈清晰晶特征，沿厚度方向芯部晶粒略微粗大，表層位置晶粒細(xì)小；而 α+β 熱變形制備板材的低倍組織呈模糊晶特征，且晶粒尺寸沿板材厚度方向均勻一致。

兩種TC4鈦合金板材的高倍 SEM 顯微組織如圖 2 所示。可以看出，α+β 熱變形工藝下得到了等軸組織，其由等軸初生 α 相、片層次生 α 相及 β 基體構(gòu)成，其中等軸初生 α 相的晶粒尺寸約為 12.9 μm; β 熱變形工藝下得到了片層組織，其由晶界片層 α 相、晶內(nèi)片層 α 相及 β 基體構(gòu)成，其中晶內(nèi)片層 α 相的晶粒尺寸約為 2.6 μm, 晶界片層 α 相的晶粒尺寸則遠(yuǎn)大于等軸初生 α 相的。因此，兩種合金板材低倍形貌差異來源于不同的顯微組織類型。

進(jìn)一步觀察兩種TC4鈦合金板材沿不同厚度位置及方向的組織形貌，對比分析兩種板材的顯微組織成分及均勻性的差異，板材縱截面不同放大倍數(shù)的光學(xué)組織如圖 3 所示。從圖 3 (a) 可以看出，在同一厚度處，等軸組織TC4鈦合金板材 ND-TD 面和 ND-RD 面顯微組織基本無差異，組織中均勻分布著細(xì)小的等軸初生 α 相；沿板材厚度方向可以看出，板材表層位置的片層次生 α 相的晶粒尺寸較小，芯部位置的片層次生 α 相的晶粒尺寸略粗大。從圖 3 ( b) 可以看出，在同一厚度處，片層組織板材的 ND-TD 面和 ND-RD 面顯微組織基本無差異，其中板材表層位置的原始 β 晶粒及 α 集束的晶粒尺寸均略小于板材芯部位置的。

2.2 力學(xué)性能

2.2.1 拉伸性能

為研究板材力學(xué)性能的均勻性，分別取板材上表層、板材中心 A (靠近上表層) 、板材中心 B ( 靠近下表層) 、下表層 4 個測量點(diǎn)，測試板材厚度方向多點(diǎn)位置 RD、TD 方向的力學(xué)性能，拉伸性能如圖 4 所示。

從圖中可以看出，等軸組織TC4鈦合金板材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均高于片層組織板材的，其中 RD 方向的屈服強(qiáng)度高 23 ~59 MPa,TD 方向的屈服強(qiáng)度高 65~81 MPa,RD 方向的抗拉強(qiáng)度高 16~39 MPa,TD 方向的抗拉強(qiáng)度高 45 ~66 MPa。同時，等軸組織TC4鈦合金板材的斷后伸長率及斷面收縮率更高，表現(xiàn)出更高的強(qiáng)度 - 塑性匹配。這主要是由于等軸組織中等軸初生 α 相及片層次生 α 相的晶粒尺寸遠(yuǎn)小于片層組織中晶界片層 α 相和 α 集束的尺寸，起到更強(qiáng)的細(xì)晶強(qiáng)化作用，因此等軸組織TC4鈦合金板材的強(qiáng)度更高。同時由于片層組織中片層 α 相與 β 基體存在 Burgers 取向關(guān)系，位錯容易產(chǎn)生長距離滑移，導(dǎo)致快速斷裂，而等軸組織中等軸 α 相與 β 基體能夠產(chǎn)生更好的協(xié)調(diào)變形效果，因此等軸組織TC4鈦合金板材的塑性更好。進(jìn)一步分析可知，等軸組織TC4鈦合金板材沿厚度方向的屈服強(qiáng)度差值約為 20 MPa, 抗拉強(qiáng)度差值約為 20 MPa, 斷后伸長率差值約為 2%, 斷面收縮率差值約為 5%, 波動幅度很小，片層組織TC4鈦合金板材也呈現(xiàn)出相同規(guī)律。由此表明，板材沿厚度方向的拉伸性能呈現(xiàn)出較好的均勻性。兩種鈦合金板材 RD 方向的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均低于 TD 方向的，而 RD 方向的斷后伸長率和斷面收縮率均高于 TD 方向的，呈現(xiàn)出一定程度的拉伸性能各向異性。

2.2.2 韌性

兩種TC4鈦合金板材厚度方向多點(diǎn)位置 RD、TD 方向的沖擊韌性、斷裂韌性如圖 5 所示。從圖中可以看出，片層組織TC4鈦合金板材的沖擊韌性和斷裂韌性均高于等軸組織的。板材沿厚度方向的沖擊韌性和斷裂韌性波動幅度較小，表明其組織均勻性較好。在同一厚度處，同種鈦合金板材在 RD 方向的沖擊韌性略高于 TD 方向的，沿 TD-RD 方向的斷裂韌性略高于 RD-TD 方向的，總體來說，鈦合金板材呈現(xiàn)出一定程度的韌性各向異性。

圖 6、圖 7 為兩種TC4鈦合金板材沖擊斷口形貌及斷口路徑的 EBSD 分析結(jié)果。可以看出，等軸組織的斷口平直，表明其抵抗裂紋擴(kuò)展的能力較低；而片層組織斷口的裂紋擴(kuò)展路徑更加曲折，從而增加了裂紋總長度，使自裂紋擴(kuò)展至斷裂的過程消耗更多能量，因此片層組織表現(xiàn)出更高的韌性。進(jìn)一步分析斷口路徑的 EBSD 結(jié)果，從圖 7 可知，等軸組織的斷裂過程中 α/β 相界面處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成微裂紋，隨后裂紋擴(kuò)展過程中主要沿 α/β 相界面擴(kuò)展或者穿過 α 晶粒進(jìn)行擴(kuò)展，由于等軸初生 α 相的尺寸較小，且相鄰 α 相晶粒取向不同，導(dǎo)致其擴(kuò)展路徑平直；片層組織中存在尺寸較大的晶界片層 α 相和晶體取向一致的 α 集束，位錯滑移阻力較低，容易產(chǎn)生長距離滑移，導(dǎo)致在晶界片層 α 相或者在 α 集束邊界處形成微裂紋，然而當(dāng)裂紋擴(kuò)展至不同取向晶粒或 α 集束時，其擴(kuò)展路徑發(fā)生明顯偏折，大幅增加了裂紋擴(kuò)展路徑長度，使得合金斷裂消耗能量明顯增大，因此片層組織表現(xiàn)出較高的韌性，這與沖擊斷口形貌的分析結(jié)果相吻合。

綜上所述，顯微組織類型對TC4鈦合金板材的力學(xué)性能產(chǎn)生了一定影響，等軸組織TC4鈦合金板材由于細(xì)晶強(qiáng)化作用，其強(qiáng)度 - 塑性匹配優(yōu)于片層組織板材的，而片層組織TC4鈦合金板材由于較強(qiáng)的組織增韌作用，表現(xiàn)出更高的沖擊韌性和斷裂韌性。此外，同種TC4鈦合金板材表層、芯部位置的力學(xué)性能差異較小，呈現(xiàn)良好的組織性能均勻性。

2.2.3 力學(xué)性能各向異性分析

從圖 4、圖 5 可以看出，兩種TC4鈦合金板材均存在一定程度的力學(xué)性能各向異性。對兩種TC4鈦合金板材進(jìn)行晶體取向分析，結(jié)果如圖 8、圖 9 所示。從圖 8 可以看出，等軸組織TC4鈦合金板材表層位置與芯部位置均存在擇優(yōu)取向，主要為 <0001>α//TD 方向的 α 相織構(gòu)，當(dāng)載荷方向平行 TD 時，<0001>α//TD 的 α 晶粒滑移難以激活，需要更大的應(yīng)力去激活 滑移，因此板材沿 TD 方向的抗拉強(qiáng)度高于 RD 方向的 [24]。從圖 9 可以看出，片層組織TC4鈦合金板材同樣存在 < 0001>α//TD 方向的 α 相織構(gòu)，導(dǎo)致其 TD 方向的抗拉強(qiáng)度高于 RD 方向的。然而，由于片層組織板材熱變形溫度主要在 β 單相區(qū)，片層 α 相形成于變形后的冷卻過程，因此 α 相變形織構(gòu)強(qiáng)度較低，導(dǎo)致片層組織板材不同方向的強(qiáng)度差異小于等軸組織板材的。

此外，分析認(rèn)為兩種TC4鈦合金板材的韌性各向異性主要與組織形態(tài)有關(guān)，從圖 3 可以看出，兩種TC4鈦合金板材沿 RD 方向均存在明顯的組織流線，導(dǎo)致裂紋沿垂直 RD 方向擴(kuò)展的過程中，穿過的平行排列的片層 α 相的數(shù)目增多，穿晶斷裂的阻力明顯增大 [14,25], 從而導(dǎo)致 TD-RD 方向的沖擊韌性和斷裂韌性均高于 RD-TD 方向的，與兩種鈦合金板材的韌性測試結(jié)果相吻合。

3、結(jié)論

(1) 采用 β 熱變形、α+β 熱變形可以分別獲得片層組織、等軸組織TC4鈦合金板材，其中片層組織由晶界片層 α 相、晶內(nèi)片層 α 相及 β 基體構(gòu)成，等軸組織由等軸初生 α 相、片層次生 α 相及 β 基體構(gòu)成。

(2) 力學(xué)性能測試表明，等軸組織板材的強(qiáng)度 - 塑性匹配高于片層組織板材的，而片層組織板材的沖擊韌性和斷裂韌性高于等軸組織板材的。

(3) 兩種組織TC4鈦合金板材沿厚度方向的組織及力學(xué)性能均勻性較好，但沿板材其他方向存在各向異性，其中 TD 方向的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度高于 RD 方向的，而 TD-RD 方向的斷裂韌性高于 RD-TD 方向的。這是因?yàn)椋�板材熱成形過程形成 < 0001>α//TD 的 α 相織構(gòu)，TD 方向受力時，滑移系開動的臨界剪切應(yīng)力增大，導(dǎo)致板材 TD 方向的強(qiáng)度更高；板材沿 RD 方向存在明顯的組織流線，裂紋垂直 RD 擴(kuò)展過程中，穿過的平行排列的片層 α 相的數(shù)目更多，因此鈦合金板材 TD-RD 方向穿晶斷裂過程中阻力增大，其沖擊韌性和斷裂韌性更高。

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（注，原文標(biāo)題：兩種TC4鈦合金板材的顯微組織均勻性及力學(xué)性能各向異性研究）

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tag標(biāo)簽:顯微組織,TC4鈦合金板材,熱變形工藝,力學(xué)性能

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