TC21鈦合金微觀組織對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓縮性能的影響

楊紅斌，李萌蘗，卜恒勇

(昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

1 前 言

由于國(guó)內(nèi)航空系統(tǒng)對(duì)鈦合金損傷容限設(shè)計(jì)的需求[1]，我國(guó)自主研發(fā)了高強(qiáng)韌損傷容限型TC21鈦合金，其名義成分為T(mén)i-6Al-3Mo-2Nb-2Sn-2Zr-1Cr[2]，是目前我國(guó)綜合力學(xué)性能匹配較好的鈦合金材料[3, 4]。該合金在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，不可避免會(huì)遇到強(qiáng)沖擊作用而發(fā)生高速變形，然而鈦合金在高速?zèng)_擊載荷作用下表現(xiàn)出的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能與靜載荷作用下的不同[5-8]。為加快TC21鈦合金的工程應(yīng)用，研究其在不同加載條件下的力學(xué)性能十分必要。另外，對(duì)于不同組織狀態(tài)的鈦合金材料，性能存在很大的差異[9-11]。為此，本文針對(duì)3種組織狀態(tài)的TC21鈦合金，研究微觀組織對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓縮性能的影響，為該合金的實(shí)際應(yīng)用提供一定的參考。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)用TC21鈦合金為Ф13.8 mm的棒材，微觀形貌為典型的等軸組織，化學(xué)成分如表1所示，β轉(zhuǎn)變溫度為(960±5)℃。為獲得雙態(tài)組織和片層組織，采用的熱處理工藝分別為：910 ℃/1 h, AC + 570 ℃/4 h, AC 和972 ℃/1 h, WQ + 890 ℃/1 h, AC + 590 ℃/4 h, AC。

2.2 壓縮試驗(yàn)方法

準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，應(yīng)變速率為0.001 s-1，試樣尺寸為Ф7 mm×10 mm。動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)采用分離式Hopkinson壓桿技術(shù)，其試驗(yàn)裝置及原理參見(jiàn)文獻(xiàn)[12]和[13]，采用200 mm撞擊桿，沖擊氣壓分別為0.05，0.06，0.08和0.10 MPa，名義應(yīng)變速率約為1500，2000，2500和3200 s-1，試樣尺寸為Ф4 mm×4 mm，壓縮試驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行。

3 結(jié)果與討論

3.1 微觀組織分析

通過(guò)不同的熱處理工藝處理后，獲得等軸組織、雙態(tài)組織和片層組織的TC21鈦合金試樣，具體組織形貌分別如圖1所示。圖1a中，組織由大量的等軸狀α相和少量β轉(zhuǎn)變組織構(gòu)成，等軸α顆粒之間排列緊密，尺寸相對(duì)較大，為典型的等軸組織。圖1b為雙態(tài)組織，組織中含有少量的等軸α相，尺寸較小，β基體上分布有大量的細(xì)小針狀α相，并交錯(cuò)排列。圖1c為片層組織形貌，組織中存在尺寸較大的α片，各片叢內(nèi)α條交錯(cuò)編織。

表1 TC21鈦合金的化學(xué)成分

圖1 不同工藝熱處理后獲得的TC21鈦合金組織：(a)等軸組織，(b)雙態(tài)組織，(c)片層組織Fig.1 Microstructures of TC21 titanium alloys obtained after different heat-treatments: (a) equiaxed, (b) binary and (c) lamellar

3.2 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮性能分析

TC21鈦合金等軸、雙態(tài)和片層組織試樣對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮真應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。從圖中可以看出，3種組織試樣在壓縮變形初期，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加呈線性增大，此時(shí)處于彈性變形階段。彈性階段過(guò)后，所有曲線中均未出現(xiàn)明顯的屈服點(diǎn)。采用0.2%塑性應(yīng)變對(duì)應(yīng)的應(yīng)力(σ0.2)作為屈服應(yīng)力，得到3種組織試樣的屈服應(yīng)力分別為922，965和942 MPa。在塑性變形階段，三者的應(yīng)變硬化均較弱，其中等軸組織具有最好的塑性，斷裂應(yīng)變達(dá)到0.323，但其斷裂強(qiáng)度最低，約為1284 MPa；雙態(tài)組織斷裂強(qiáng)度較高，達(dá)到了1374 MPa，此時(shí)斷裂應(yīng)變?yōu)?.238；片層組織的斷裂強(qiáng)度約為1357 MPa，明顯高于等軸組織，與雙態(tài)組織相當(dāng)，同時(shí)具有較好的塑性，斷裂應(yīng)變約為0.266。因此，片層組織具有較好的強(qiáng)塑性匹配。

圖2 TC21鈦合金3種組織試樣的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮真應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Quasi-static compression true stress-strain curves of the three kinds of microstructure of TC21 titanium alloy

對(duì)于兩相鈦合金來(lái)說(shuō)[14]，等軸組織具有較好的塑性，這是由于等軸α相有利于材料的塑性變形，而且α晶粒分布越均勻，相互協(xié)調(diào)性越好。雙態(tài)組織中，β基體中分布的細(xì)小次生α條對(duì)塑性變形非常不利，使其強(qiáng)度較高，塑性較差。在片層組織中，尺寸較大的α片的存在，使其在一定的變形范圍內(nèi)具有很好的協(xié)調(diào)性，但在α片交界處變形不易進(jìn)行，從而具有較高的強(qiáng)度。因此片層組織具有相對(duì)較好的塑性，同時(shí)還能具有較高的強(qiáng)度。

3.3 動(dòng)態(tài)壓縮性能分析

等軸、雙態(tài)和片層組織的TC21鈦合金試樣在不同應(yīng)變率壓縮下的動(dòng)態(tài)真應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。

可以看出，3種組織試樣在1500 s-1應(yīng)變率壓縮下，曲線均未出現(xiàn)突然卸載，因此試樣均沒(méi)有發(fā)生破壞；隨著應(yīng)變率提高到2000 s-1時(shí)，等軸組織試樣對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為正常卸載，其余兩種組織試樣為突然卸載；當(dāng)應(yīng)變率再增加，達(dá)到2500和3200 s-1時(shí)，曲線均出現(xiàn)突然卸載，3種試樣均發(fā)生了破壞。由此可見(jiàn)，TC21鈦合金的組織中，抗沖擊性能最好的是等軸組織，最差的是雙態(tài)組織，片層組織居于前兩者之間。在高應(yīng)變率下，等軸組織的動(dòng)態(tài)流變應(yīng)力相對(duì)較低，但其具有較好的動(dòng)態(tài)塑性應(yīng)變；雙態(tài)組織雖然表現(xiàn)出較高的流變應(yīng)力，但其失效前的塑性應(yīng)變較差；片層組織不僅表現(xiàn)出較高的流變應(yīng)力同時(shí)還具有較大的斷裂應(yīng)變，為三者中強(qiáng)塑性匹配最佳。

圖3 TC21鈦合金3種組織試樣的動(dòng)態(tài)壓縮真應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Dynamic compressiontrue stress-strain curves of the three kinds of microstructure of TC21 titanium alloy

已有的研究表明，等軸α相具有抵抗裂紋萌生的能力，對(duì)鈦合金的塑性和沖擊性能有利；片狀β轉(zhuǎn)變組織則可以有效地抵抗裂紋的擴(kuò)展[15, 16]。因此，在本研究中，等軸組織表現(xiàn)出較低的流變應(yīng)力和較大的斷裂應(yīng)變，抗沖擊性能較好；雙態(tài)組織與等軸組織正好相反；片層組織同時(shí)表現(xiàn)出較大的斷裂應(yīng)變和較高的流變應(yīng)力。

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)不同工藝的熱處理，能夠獲得等軸、雙態(tài)和片層組織狀態(tài)的TC21鈦合金。

(2)3種組織的試樣的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮性能各不相同；等軸組織的塑性最好，但其強(qiáng)度低；雙態(tài)組織強(qiáng)度較高，而塑性較差；三者中片層組織具有較好的強(qiáng)塑性匹配。

(3)在1500～3200 s-1應(yīng)變率壓縮下，等軸組織的動(dòng)態(tài)流變應(yīng)力較低，但塑性應(yīng)變較好，具有較好抗沖擊性能，而雙態(tài)組織正好相反，片層組織則表現(xiàn)出強(qiáng)塑性最佳匹配的優(yōu)異綜合性能。