TC4鈦合金（名義成分為Ti-6Al-4V）是一種典型的α＋β型兩相合金，其具有優(yōu)異的耐腐蝕性、強(qiáng)韌性以及高溫力學(xué)性能等眾多優(yōu)異特性，在航空發(fā)動機(jī)、海洋工程、化學(xué)工程等領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用，該合金也被稱為萬能鈦合金［１－２］。

TC4鈦合金的生產(chǎn)工藝主要有熔煉、鍛造、軋制等，目前TC4鈦合金軋制板材的應(yīng)用十分廣泛［３－４］。韓盈等［５］研究了軋制工藝對TC4鈦合金板材織構(gòu)演變及組織和性能的影響，研究表明：順向軋制和換向軋制２種軋制工藝均會起到細(xì)化晶粒的作用，其中，板材經(jīng)順向軋制后，微觀組織中存在帶狀組織，α晶粒被拉長；板材經(jīng)換向軋制后，組織中晶粒破碎得更加均勻，經(jīng)退火處理后，形成大量等軸α晶粒；將２種軋制工藝進(jìn)行對比，板材經(jīng)換向軋制后，其塑性較高，但強(qiáng)度較低。王偉等［６］研究了軋制火次對ＥＢ熔煉TC4鈦合金顯微組織、織構(gòu)和力學(xué)性能的影響，研究表明：軋制火次的增加使得鑄態(tài)組織中的原始粗大晶粒破碎，組織中的晶粒出現(xiàn)等軸化，并有細(xì)小的等軸α相形成，其小角度晶界增大，合金經(jīng)三火軋制后的小角度晶界增加了35.1％。

本文對不同軋制規(guī)格的TC4鈦合金板材進(jìn)行分析和研究，探索出不同軋制厚度的TC4鈦合金板材組織與力學(xué)性能的對應(yīng)關(guān)系，為實際生產(chǎn)提供參考。

1、試驗材料與方法

本試驗所選用的TC4鈦合金板坯的規(guī)格為250ｍｍ×1000ｍｍ×2000ｍｍ，通過隧道式天然氣加熱爐和輥底式電阻爐升溫加熱保溫處理后，在溫度為850～1020℃下，經(jīng)Ф900/Ф840ｍｍ×2450ｍｍ四輥可逆式熱軋機(jī)四火次軋制，第１火次軋制為開坯軋制，第１～３火次的軋制厚度分別為50.0、6.0和3.5ｍｍ，第４火次軋制為成品軋制，通過包覆疊軋技術(shù)將厚度為3.5ｍｍ的半成品TC4鈦合金板材經(jīng)３～９道次軋制為厚度為2.0、1.5、1.0和0.8ｍｍ這４種規(guī)格的TC4鈦合金板材，再對其進(jìn)行780℃×2h退火處理，其具體成分見表１。TC4鈦合金板坯的原始金相組織如圖１所示，其縱向與橫向組織均為等軸組織，此組織以粗大初生α相（α_ｐ）為主，同時基體上存在細(xì)條狀的次生α相與由次生α相之間的殘余β相構(gòu)成的β轉(zhuǎn)變組織（β_Ｔ）。

TC4鈦合金板材相變點(diǎn)測試執(zhí)行GB/T23605—2009［７］標(biāo)準(zhǔn)要求，使用金相法測得TC4鈦合金板材的相變點(diǎn)為995～1000℃。再將４種規(guī)格的TC4鈦合金板材進(jìn)行切割加工，進(jìn)行金相組織與室溫拉伸等性能測試。圖２為軋制TC4鈦合金板材的方向標(biāo)記：軋制方向（ＲＤ向）和橫向（ＴＤ向），其中，圖２ａ為金相組織的取樣位置，圖２ｂ為拉伸試樣取樣位置以及拉伸斷口觀察位置。使用OLYMPUS光學(xué)顯微鏡觀察TC4鈦合金板材金相組織，TC4鈦合金板材的室溫以及高溫拉伸測試使用INSTRON.5580萬能試驗機(jī)，使用Imagepro5測量組織中晶粒的直徑，使用Quanta型掃描電鏡觀察拉伸斷口的微觀形貌，每次測試取3組試樣，最后取平均值。

2、結(jié)果與討論

2.1金相組織

圖３為不同規(guī)格TC4鈦合金板材的金相組織。

由圖３可得，經(jīng)軋制及退火后的TC4鈦合金板材組織為α相與殘余β相組成的混合組織，不同厚度的TC4鈦合金板材的α相的形貌不同，呈現(xiàn)出線條狀、等軸狀以及細(xì)小團(tuán)狀，殘余β相存在于各α相之間。與原始TC4鈦合金板材相比，經(jīng)軋制退火后，TC4鈦合金的晶粒細(xì)化明顯，且存在明顯的軋制跡象，這是由于TC4鈦合金板材的組織沒有產(chǎn)生完全動態(tài)再結(jié)晶所致。在厚度為0.8、1.0和1.5ｍｍ的TC4鈦合金板材的RD向組織中有大小晶粒交替在一起的帶狀組織，其中，厚度為1.0ｍｍ的TC4鈦合金板材中帶狀組織最為明顯，這是因為：在軋制過程中，TC4鈦合金板材的柱面和基面在進(jìn)行滑移時，晶粒的排列取向不發(fā)生改變，僅會繞著ｃ軸（ｃ軸為由橫向（TD）傾向法向（ND）且靠近法向（ND），產(chǎn)生較強(qiáng)的基面織構(gòu)）進(jìn)行轉(zhuǎn)動，但錐面滑移與之不同，其會導(dǎo)致晶粒產(chǎn)生傾斜現(xiàn)象，而傾斜會使組織中的晶粒產(chǎn)生再結(jié)晶或旋轉(zhuǎn)。而厚度為２０ｍｍ的TC4鈦合金板材中帶狀組織并不明顯，其α晶粒被明顯拉長，呈長條狀且不均勻地分布在組織中。４種規(guī)格的TC4鈦合金板材TD向組織中均以細(xì)小的等軸α晶粒為主，金相組織中并未發(fā)現(xiàn)明顯的帶狀結(jié)構(gòu)組織。

TC4鈦合金板材的RD與TD向組織中均存在大量的細(xì)小α晶粒，說明TC4鈦合金板材的受力狀態(tài)在軋制過程中發(fā)生了改變，原始TC4鈦合金板坯中的晶粒并非沿著某固定方向進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致形變區(qū)域的儲存能以及位錯密度增加，為組織中晶粒的形核提供了大量驅(qū)動能，導(dǎo)致TC4鈦合金板材在退火過程中容易產(chǎn)生再結(jié)晶，使得組織中產(chǎn)生的大量的細(xì)小等軸α晶粒［８］。這與王?？〉龋郏梗輰Σ煌庸l件下TC4鈦合金板材組織的研究結(jié)果一致，即軋制工藝對組織中的晶粒有細(xì)化作用。

2.2拉伸性能

圖４為不同厚度TC4鈦合金板材的力學(xué)性能，圖５為不同厚度TC4鈦合金板材拉伸過程中的工程應(yīng)力－工程應(yīng)變曲線。由圖４和圖５可知，隨著厚度的增加，TC4鈦合金板材強(qiáng)度總體呈現(xiàn)出先降低再趨于穩(wěn)定的趨勢，而塑性呈現(xiàn)出先升高再趨于穩(wěn)定的趨勢。不同規(guī)格TC4鈦合金板材的強(qiáng)度較低而塑性較高，這是因為：退火會使板材在軋制過程中產(chǎn)生加工硬化以及位錯密度降低的現(xiàn)象，從而使軋制應(yīng)力得到充分釋放。當(dāng)厚度為0.8ｍｍ時，TC4鈦合金板材的強(qiáng)度最大，最大抗拉強(qiáng)度Rm為1075MPa、最大屈服強(qiáng)度ReL為1027MPa，而塑性方面，不同規(guī)格TC4鈦合金板材的伸長率Ａ大致相同，最大值為17.5％。

TC4鈦合金板材在室溫拉伸過程中，當(dāng)拉應(yīng)力沿界面擴(kuò)展遇阻礙時，微裂紋擴(kuò)展過程中形成的位錯會在α／β相界面上造成塞積，在位錯塞積力和裂紋尖端作用力的共同作用下，α／β相的片層內(nèi)會有微孔洞形成，此時微裂紋擴(kuò)展以微小孔聚合的方式進(jìn)行，最終導(dǎo)致斷裂［１０］。而厚度為０８ｍｍ的TC4鈦合金板材的強(qiáng)度較大，這是由于TC4鈦合金板材軋制過程中的變形量較大，內(nèi)部點(diǎn)陣畸變較大，形成的儲存能更多，從而會有較多的再結(jié)晶形核位置，晶粒更加細(xì)小，在拉伸過程中細(xì)小晶粒對位錯運(yùn)動的阻礙作用更強(qiáng)，位錯在細(xì)小晶粒區(qū)域被阻塞并形成位錯塞積群，必須施加更大的外力才可使位錯再次開動，導(dǎo)致TC4鈦合金板材的強(qiáng)度較高［１１］。

由圖４可知，４種規(guī)格TC4鈦合金板材經(jīng)軋制退火后沿RD與TD方向的強(qiáng)度與塑性均有一定差值，其中0.8ｍｍ的TC4鈦合金板材最為明顯，其抗拉強(qiáng)度Rm的最大差值為33MPa，屈服強(qiáng)度ReL的最大差值為32MPa，而伸長率Ａ幾乎相同，最大值差值為3％，說明４種規(guī)格TC4鈦合金板材具有一定程度的各向異性。

４種規(guī)格的TC4鈦合金板材沿RD方向的抗拉強(qiáng)度較高，同時還具有良好的塑性，主要是因為：

軋制導(dǎo)致晶粒細(xì)化，細(xì)小的晶粒會提高晶界總面積，而晶界強(qiáng)度在室溫條件下大于晶內(nèi)強(qiáng)度，并能夠阻礙位錯進(jìn)行滑移，進(jìn)而提高抗拉強(qiáng)度，在TC4鈦合金板材斷裂時會使裂紋擴(kuò)展方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，增加裂紋擴(kuò)展路徑，使其伸長率升高。同時，TC4鈦合金板材沿RD方向的屈服強(qiáng)度低于TD方向，這是由于在進(jìn)行拉伸時，TC4鈦合金板材RD方向的拉應(yīng)力與｛0001｝晶面形成較小的夾角，組織中滑移系容易開動，導(dǎo)致TC4鈦合金板材的屈服強(qiáng)度下降，隨后在斷裂過程中會產(chǎn)生加工硬化和位錯交集現(xiàn)象，致使TC4鈦合金板材具有較低屈服強(qiáng)度的同時具有較高的抗拉強(qiáng)度。在拉伸方向為TD向時，拉應(yīng)力與｛0001｝晶面之間的夾角較大，滑移系難以開動，需較大外力來開動滑移系，導(dǎo)致TC4鈦合金板材的屈服強(qiáng)度增加，在發(fā)生屈服后，組織中更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致TC4鈦合金板材的抗拉強(qiáng)度降低［１２－１３］。

2.3斷口形貌

圖６為不同規(guī)格TC4鈦合金板材拉伸后的微觀斷口形貌，其微觀斷口形貌大致相同，均以韌窩為主，形貌均為等軸韌窩（位置Ａ′），較大的韌窩中有少量小韌窩分布其中，具有明顯的韌性斷裂特征，宏觀表現(xiàn)為具有較大的伸長率。韌窩的形成是由于合金內(nèi)部組織以等軸α相作為微孔形成的核心源，隨后經(jīng)過微孔形核、長大以及聚合等方式使合金組 織有微裂紋產(chǎn)生并擴(kuò)散、斷裂，在微孔聚合長大過程中韌窩逐漸長大［１４］。合金的塑性通常由韌窩的深淺和大小決定，當(dāng)韌窩深且大時，合金具有良好的塑性，當(dāng)韌窩淺且小時，合金的塑性較差。

當(dāng)TC4鈦合金板材厚度為0.8ｍｍ時，其RD方向（圖６ａ）和TD方向（圖６ｂ）除具有大量韌窩外，還有一定數(shù)量的小平面（位置Ｂ），具有圓潤且光滑的底部，并有微小的空洞存在，以及較銳利的棱邊，同時韌窩內(nèi)部還有大量特別細(xì)小的微裂紋（位置Ｃ和位置Ｄ），說明施加拉應(yīng)力后，裂紋在組織中擴(kuò)展時的尖端應(yīng)力較大，導(dǎo)致裂紋在向前擴(kuò)展時，也向垂直于主裂紋擴(kuò)展的方向延伸，形成二次裂紋，從而增加了裂紋擴(kuò)展的曲折性，導(dǎo)致合金的強(qiáng)度增加、塑性降低。同時，在圖６ａ所示斷口形貌中還有一定數(shù)量的撕裂棱（位置Ｅ），撕裂棱的出現(xiàn)表明強(qiáng)度增大而塑性降低，此與TC4鈦合金板材的宏觀拉伸性能一致。當(dāng)TC4鈦合金板材厚度為1.0ｍｍ時，ＴＤ方向（圖６ｄ）的斷口形貌中有空洞存在（位置Ｆ），這是因為：組織中晶粒十分均勻細(xì)小，試樣在拉伸過程中，組織內(nèi)的裂紋擴(kuò)展時會遇到大量細(xì)小α晶粒，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，裂紋若繼續(xù)擴(kuò)展，擴(kuò)展方向會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，其沿著α／β晶界交界處進(jìn)行，在此位置形成空洞，導(dǎo)致塑性下降。當(dāng)TC4鈦合金板材厚度為1.5和2.0ｍｍ時，其RD方向和TD方向的斷口形貌基本相同，無明顯差異，說明TC4鈦合金板材的力學(xué)性能接近，差異性較小。

由圖６可得，在RD方向，當(dāng)TC4鈦合金板材厚度較厚時（1.5和2.0ｍｍ），斷口微觀形貌由大量韌窩組成，當(dāng)厚度較薄時（0.8ｍｍ），由于變形量的增加，斷口微觀形貌中出現(xiàn)撕裂棱以及微裂紋，這意味著TC4鈦合金板材的強(qiáng)度增加、塑性降低。

TD方向的變化趨于與RD方向類似，均為隨著TC4鈦合金板材厚度的變薄，斷口由單一的韌窩形貌向韌窩與其他形貌并存的方向發(fā)展，區(qū)別之處為當(dāng)TC4鈦合金板材厚度較薄時，ＲＤ方向的斷口形貌以韌窩、微裂紋和撕裂棱為主，而TD方向的斷口形貌以韌窩、微裂紋和空洞為主。

3、結(jié)論

（１）經(jīng)軋制及退火后的TC4鈦合金板材組織為α相與殘余β相組成的混合組織，α相形貌呈現(xiàn)出線條狀、等軸狀以及細(xì)小團(tuán)狀等，與原始板材相比，經(jīng)軋制退火后，TC4鈦合金板材晶粒細(xì)化明顯，且存在明顯的軋制跡象。

（２）TC4鈦合金板材強(qiáng)度總體呈現(xiàn)出隨著厚度的增加先降低再趨于穩(wěn)定的趨勢，而塑性呈現(xiàn)出先升高再趨于穩(wěn)定的趨勢。當(dāng)厚度為0.8ｍｍ時，TC4鈦合金板材的強(qiáng)度最大，最大的抗拉強(qiáng)度Rm為1075MPa、最大的屈服強(qiáng)度ReL為1027MPa。而塑性方面，不同規(guī)格TC4鈦合金板材的伸長率Ａ大致相同，最大值為17.5％。４種規(guī)格TC4鈦合金板材經(jīng)軋制退火后沿RD與TD方向的強(qiáng)度與塑性均有一定差值，說明此4種規(guī)格TC4鈦合金板材具有一定程度的各向異性。

（３）不同規(guī)格TC4鈦合金板材拉伸后的斷口形貌均以韌窩為主，具有明顯的韌性斷裂特征，其中厚度為0.8ｍｍ的TC4鈦合金板材沿TD方向的斷口形貌中除具有韌窩形貌外，還具有一定數(shù)量的小平面，韌窩內(nèi)部還存在有大量特別細(xì)小的微裂紋。

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