鈦合金憑其強(qiáng)度大、耐腐蝕性能好、生物相容性優(yōu)良等特點(diǎn)，在航空航天、國防軍工以及生物醫(yī)療領(lǐng)域的高端制造裝備中得到廣泛應(yīng)用。其中以TC4(Ti-6Al-4V)合金為代表的α+β型雙相鈦合金的綜合性能與其微觀組織形態(tài)有著密切的關(guān)系。TC4-DT鈦合金以TC4合金為基礎(chǔ)，經(jīng)過對間隙元素的嚴(yán)格把控發(fā)展而成，是一種中強(qiáng)損傷容限型的鈦合金，可滿足現(xiàn)代航空結(jié)構(gòu)件對高可靠性、長壽命以及抗沖擊損傷能力強(qiáng)的高標(biāo)準(zhǔn)需求4。鈦合金等軸組織、雙態(tài)組織及片層組織等微觀組織對其力學(xué)性能起到了決定性的影響，這三種微觀組織的獲得取決于熱加工工藝，尤其是熱處理和鍛造工藝的精準(zhǔn)控制[5-7]。熱處理可以通過改變相的組成、形態(tài)、尺寸和分布調(diào)節(jié)材料強(qiáng)度、塑性、韌性及疲勞特性;而鍛造工藝則會(huì)直接影響材料的晶粒尺寸、流線組織和缺陷狀態(tài)[8-10]。盡管已有大量研究關(guān)注熱處理對鈦合金常規(guī)靜態(tài)力學(xué)性能的影響，但對于其在高速?zèng)_擊等極端服役條件下的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為系統(tǒng)性研究仍相對缺乏[11]。在此基礎(chǔ)上，通過不同熱處理工藝獲得的四種典型微觀組織對TC4-DT鈦合金性能的影響，以期為該合金用于防護(hù)結(jié)構(gòu)提供可靠的資料支持與理論依據(jù)。

1、試驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)材料為真空自耗電弧爐3次熔煉的TC4-DT鈦合金，化學(xué)成分為Ti-6Al-4V,相變點(diǎn)為(980±10)℃,是一種在Ti-6Al-4V基礎(chǔ)上開發(fā)的中強(qiáng)損傷容限、低間隙鈦合金。合金中各元素含量如表1所示。

1.2熱處理工藝設(shè)計(jì)

為研究不同熱處理工藝對TC4-DT鈦合金力學(xué)性能和抗彈性能的影響，本研究設(shè)計(jì)4種不同的熱處理工藝，以分別獲得雙態(tài)組織等軸組織和片層組織。具體熱處理工藝及對應(yīng)的微觀組織如表2所示。

(1)雙態(tài)組織

1:在α+β兩相區(qū)加熱至900℃,保溫1h后空冷(AC),隨后在600℃時(shí)效4h空冷,通過保留部分初生α相，同時(shí)通過時(shí)效處理析出次生α相，形成雙態(tài)組織。

2:在接近β相變點(diǎn)的溫度925℃保溫1h后爐冷(FC),隨后在600℃時(shí)效4h空冷,利用更為緩慢的冷卻速度獲得更均勻的雙態(tài)組織。

(2)等軸組織

3:在α+β兩相區(qū)加熱至900℃,保溫6h后緩慢爐冷(SFC),促使α相充分等軸化,形成等軸組織[14-15]。

(3)片層組織

4:在β相區(qū)加熱至1000℃,保溫1h后爐冷(FC)，使合金完全轉(zhuǎn)變?yōu)?beta;相,冷卻過程中β相析出片層狀a相,形成片層組織。

表1 TC4-DT鈦合金化學(xué)成分

Tab.1 Chemical composition of TC4-DT titanium alloy%

元素	含量/%
Ti	余量
Al	5.5~6.5
V	3.5~4.5
Fe	≤0.25
O	≤0.15
C	≤0.08
N	≤0.05
H	≤0.0125
稀土元素	0.026
Mg	0.038

表2熱處理工藝和微觀組織

Tab.2 Heat treatment process and microstructure

試樣編號	熱處理制度	微觀組織
#1	900℃/1h/AC+600℃/4h/AC	雙態(tài)組織
#2	925℃/1h/FC+600℃/4h/AC	雙態(tài)組織
#3	900℃/6h/SFC	等軸組織
#4	1 000℃/1 h/FC	片層組織

1.3力學(xué)性能試驗(yàn)

1.3.1靜態(tài)力學(xué)性能

在室溫下，使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)，以0.001s-1的應(yīng)變率進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)。其中，拉伸試樣規(guī)格為Φ5mm25mm,壓縮試樣規(guī)格為Φ8mm12mm。

1.3.2動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

采用規(guī)格Φ5mm5mm圓柱體試樣，利用氣槍加載的分離式霍普金森壓桿裝置,以200mm的子彈長度200mm、14.5mm的波導(dǎo)桿直徑，對其進(jìn)行動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測試。

1.3.3絕熱剪切敏感性

利用分離式霍普金森壓桿裝置，對帽形試樣進(jìn)行強(qiáng)迫剪切測試，記錄試樣的承載時(shí)間。

2、結(jié)果與分析

2.1靜態(tài)力學(xué)性能

TC4-DT四種組織的靜態(tài)力學(xué)性能如表3所示。

由表3可知,不同微觀組織的TC4-DT鈦合金的靜態(tài)力學(xué)性能差異顯著。雙態(tài)組織中的試樣#1具有更優(yōu)異的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，而試樣#2的爐冷工藝使得其組織更均勻，塑性性能更佳。等軸組織試樣#3在所有試樣中的塑性性能最好，片層組織試樣#4的強(qiáng)度和硬度介于雙態(tài)組織和等軸組織之間,且塑性最差。

表3 TC4-DT 4種組織的靜態(tài)力學(xué)性能

Tab.3 Static mechanical properties of TC4-DT four kinds of structures

試樣 編號	抗拉強(qiáng)度 /MPa	屈服強(qiáng)度 /MPa	伸長率 /Pct	斷面收縮 率/Pct	抗壓強(qiáng)度 /MPa	硬度 /HRC
#1	1150	980	14.5	40.2	1250	38.5
#2	1100	950	16.0	45.0	1200	37.8
#3	1050	900	18.0	50.5	1150	35.0
#4	1080	920	12.0	30.0	1180	36.5

2.2動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

2.2.1動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度

不同應(yīng)變率對TC4-DT鈦合金流變應(yīng)力的影響如圖1所示。

由圖1可知,TC4-DT鈦合金的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)和組織依賴,所有組織的流變應(yīng)力均隨應(yīng)變率的升高而顯著增加，其中雙態(tài)組織中的兩相結(jié)構(gòu)能更有效地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),雙態(tài)組織試樣#1在高應(yīng)變率下具有最優(yōu)的抗變形能力。

2.2.2動(dòng)態(tài)塑性變形性能

不同應(yīng)變率對TC4-DT鈦合金動(dòng)態(tài)應(yīng)變的影響如圖2所示。

由圖2可知,TC4-DT鈦合金在不同應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)應(yīng)變表現(xiàn)出顯著的微觀組織依賴性,且隨應(yīng)變率的變化呈現(xiàn)非線性特征。具體來看，等軸組織試樣#3始終表現(xiàn)出最優(yōu)的動(dòng)態(tài)塑性,動(dòng)態(tài)應(yīng)變值最高,且其應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)顯著，從1000s⁻¹到5000s^−1,動(dòng)態(tài)應(yīng)變提升幅度達(dá)116%。TC4-DT鈦合金的動(dòng)態(tài)應(yīng)變行為受初生α相形態(tài)和界面密度共同調(diào)控，等軸組織因均勻變形能力成為抗動(dòng)態(tài)斷裂最優(yōu)選，而片層組織的高應(yīng)變率不穩(wěn)定性需在裝甲應(yīng)用中規(guī)避。

2.2.3抗沖擊性能

不同應(yīng)變率對TC4-DT鈦合金沖擊吸收功的影響如圖3所示。

由圖3可知,等軸組織試樣#3在整個(gè)應(yīng)變率范圍內(nèi)均吸收的能量最多，在5000s^-1時(shí)的沖擊吸收功高達(dá)330MJ/m³。此外，試樣#2和試樣#3也展現(xiàn)了較高的能量吸收值，片層組織試樣#4的能量吸收能力則較弱。

2.3絕熱剪切敏感性

不同加載條件對TC4-DT鈦合金承載時(shí)間的影響如表4所示。

由表4可知，片層組織試樣#4的承載時(shí)間最短，表現(xiàn)出最高的絕熱剪切敏感性，這是因?yàn)槠淦瑢咏Y(jié)構(gòu)為剪切帶的快速擴(kuò)展提供了連續(xù)路徑。相比之下，等軸組織試樣#3的承載時(shí)間最長,抗絕熱剪切能力最強(qiáng)，其均勻的等軸晶粒能有效阻礙剪切帶的形成和傳播。雙態(tài)組織試樣#1和試樣#2的敏感性則介于二者之間，且組織更均勻的#2試樣承載時(shí)間略長，敏感性略低。這表明，細(xì)化、均勻化的組織是提高鈦合金抗絕熱剪切損傷能力的關(guān)鍵。

表4不同加載條件對TC4-DT鈦合金承載時(shí)間的影響

Tab.4 Effect of different loading conditions on the load-bearing time of TC4-DT titanium alloy

試樣編號	18 m/s	21m/s	24 m/s
#1	80	30	28
#2	80	38	33
#3	80	47	35
#4	80	44	34

3、結(jié)語

綜上,本研究通過不同熱處理工藝,對比分析了4種雙態(tài)組織等軸組織和片層組織對TC4-DT鈦合金動(dòng)靜態(tài)力學(xué)性能的影響,結(jié)論如下:

(1)不同組織靜態(tài)力學(xué)性能差異較大，其中等軸組織試樣#3塑性性能最佳,而雙態(tài)組織試樣#1的強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度最高;

(2)在動(dòng)態(tài)力學(xué)性能方面，雙態(tài)組織試樣#1的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度最高，而等軸組織試樣#3動(dòng)態(tài)塑性最佳;

(3)在絕熱剪切敏感性方面，雙態(tài)組織試樣#1的承載時(shí)間最短，絕熱剪切敏感性最高，而等軸組織試樣#3的承載時(shí)間最長，抗絕熱剪切能力最強(qiáng)。

綜上所述，熱處理所得微觀組織對TC4-DT鈦合金的力學(xué)性能影響顯著，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需根據(jù)服役條件對性能的側(cè)重來調(diào)控?zé)崽幚砉に嚕�以�?shí)現(xiàn)材料性能的最佳匹配。

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（注，原文標(biāo)題：探究熱處理鍛造工藝對金屬材料工裝力學(xué)性能的影響_吳富強(qiáng)）

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tag標(biāo)簽:TC4鈦合金,微觀組織,TC4-DT鈦合金,靜態(tài)力學(xué)性能

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