熱軋鈦合金力學(xué)性能各向異性研究

熱軋鈦合金力學(xué)性能各向異性研究

鈦和鈦合金具有耐腐蝕、比強(qiáng)度高的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國防工業(yè)和民事訴訟。但一直以來,鈦合金過高的成本制約了它在各領(lǐng)域的應(yīng)用。目前,鈦工業(yè)正向高性能和低成本方向發(fā)展。在實(shí)際生產(chǎn)中,常利用軋制的方法將鈦合金加工成板材,這一做法極大的縮短了生產(chǎn)流程并節(jié)約了成本?，F(xiàn)階段,在鈦合金的軋制工藝對其織構(gòu)類型及力學(xué)性能的影響上已有大量研究:S.Banumathy等人對熱軋Ti-16Nb合金的織構(gòu)特征及靜態(tài)力學(xué)性能各向異性進(jìn)行了研究,分析了織構(gòu)對該合金靜態(tài)拉伸性能的影響,并認(rèn)為該材料加工硬化是2種不同機(jī)制作用的結(jié)果;Jin-HwaSong等人則詳細(xì)分析了熱軋溫度及軋制方向?qū)C4織構(gòu)的影響,發(fā)現(xiàn)了單向軋制材料屈服強(qiáng)度的各向異性隨著熱軋溫度的降低而降低,材料各向異性的強(qiáng)度隨交叉軋制比率升高而降低;尤振平等人在研究TC4鈦合金軋板中織構(gòu)對動(dòng)態(tài)力學(xué)性能影響時(shí),總結(jié)出軋制溫度對織構(gòu)及TC4動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響規(guī)律;陳永志和才鴻年等人則對熱軋TB2鈦合金織構(gòu)特征與其動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能的關(guān)系進(jìn)行了分析,定性討論了熱軋織構(gòu)對TB2鈦合金屈服強(qiáng)度各向異性的影響。這些研究對鈦合金軋制工藝的制定有極大的借鑒意義,但在分析導(dǎo)致力學(xué)性能各向異性的原因時(shí),都只對織構(gòu)這一個(gè)因素進(jìn)行了探討,并認(rèn)為織構(gòu)是導(dǎo)致軋制鈦合金各向異性的主要原因。本研究通過靜態(tài)及動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)、XRD織構(gòu)測試、金相及電子顯微鏡分析等手段,研究了熱軋TC4靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的各向異性,從組織形貌、織構(gòu)和亞結(jié)構(gòu)等多個(gè)方面入手,對熱軋TC4鈦合金力學(xué)性能各向異性的成因進(jìn)行了討論。1力學(xué)性能分析實(shí)驗(yàn)所使用的TC4成分如表1所示,其相變點(diǎn)為980℃,軋制溫度為930℃,軋制前為網(wǎng)籃組織。軋制時(shí)采取單向軋制的方法,單次變形量控制在15%~30%,總變形量為78.3%。對熱軋TC4進(jìn)行微觀組織觀察與分析,并進(jìn)行織構(gòu)分析及三向的靜、動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)試驗(yàn)。取樣時(shí)定義板材的軋制方向?yàn)檐埾?R),垂直于軋面方向?yàn)榉ㄏ?N),垂直于R、N的方向?yàn)闄M向(T),同時(shí)定義垂直于N方向的面為N面,垂直于T方向的面為T面,垂直于R方向的面為R面。分別沿R、T、N3個(gè)方向取圓柱形壓縮試樣(如圖1所示),靜態(tài)壓縮力學(xué)試驗(yàn)在萬能電子試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)試驗(yàn)在分離式Hopkinson壓桿裝置上進(jìn)行。2結(jié)果與討論2.1試驗(yàn)結(jié)果及分析分別對930℃熱軋后的TC4鈦合金沿N、R和T3個(gè)方向取樣并進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)試驗(yàn),得到了圖2所示的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖可知,930℃熱軋后的TC4具有明顯的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)性能各向異性:在準(zhǔn)靜態(tài)的加載條件下,沿T加載,材料的屈服強(qiáng)度最高,但塑性最差;沿R加載,雖然材料屈服強(qiáng)度最低,但塑性最好;沿N加載材料的屈服強(qiáng)度及塑性均介于T和R之間。采用SHPB對材料進(jìn)行高應(yīng)變率動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)試驗(yàn),應(yīng)變率約為3.5×103s-1,結(jié)果如圖3所示。分析應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知,TC4鈦合金在高應(yīng)變率加載條件下3個(gè)方向力學(xué)性能的各向異性表現(xiàn)出與準(zhǔn)靜態(tài)加載時(shí)相同的規(guī)律,即沿T加載,材料表現(xiàn)出最高的強(qiáng)度和最差的塑性,沿R加載有最好的塑性和最低的強(qiáng)度,沿N加載材料的塑性和強(qiáng)度均介于T和R之間。但與準(zhǔn)靜態(tài)加載的結(jié)果相區(qū)別的是,動(dòng)態(tài)加載條件下,熱軋TC4鈦合金的3個(gè)方向都表現(xiàn)出一定的應(yīng)變硬化效應(yīng)。對比準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線與動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知,熱軋TC4鈦合金三向均有明顯的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)。2.2組織及亞結(jié)構(gòu)如前文所述,TC4鈦合金在930℃熱軋后表現(xiàn)出了明顯的靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能各向異性。能夠引起材料各向異性的因素有很多,如織構(gòu)、組織形貌、亞結(jié)構(gòu)等,因此需要分別對這些因素進(jìn)行討論。對熱軋后TC4鈦合金的組織形態(tài)進(jìn)行分析。930℃熱軋后的TC4顯微組織如圖6及圖7所示。在進(jìn)行熱軋之前,原始組織為網(wǎng)籃組織,而軋制后,雖然軋制溫度低于相變點(diǎn)溫度,但顯微照片顯示組織仍為網(wǎng)籃組織。從T面的光鏡照片(圖6)可知,熱軋后原始晶粒沿軋制方向顯著拉長,原始晶界清晰可見,即熱軋后材料形成了明顯的纖維組織。這是導(dǎo)致熱軋TC4鈦合金各向異性的第2點(diǎn)原因。依據(jù)三向SEM照片的組織,分析并重構(gòu)熱軋TC4鈦合金三維形貌可知,熱軋TC4原始晶粒由交錯(cuò)排列著的次生α集束組成。從T面(圖7c)觀察到的次生α層片排布最整齊,集束面積最大,而R面(圖7b)和N面(圖7a)觀察到的次生α層片集束的面積較小且取向雜亂交錯(cuò)。由此可以推斷,次生α層片相疊形成的集束在三維空間內(nèi)呈板狀,其面積最大的面趨向于平行T面,該面的法向及次生α層片的重合面均趨向于平行T(模型如圖7d所示),但是大量分析結(jié)果表明組織內(nèi)集束實(shí)際分布時(shí)近似以T為軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度是隨機(jī)的。組成網(wǎng)籃組織的次生α集束具有取向的分布趨勢導(dǎo)致了熱軋TC4鈦合金沿各向觀察時(shí)組織特征不同,這是導(dǎo)致材料力學(xué)性能各向異性的第3點(diǎn)原因。在單向熱軋過程中,材料沿軋制方向發(fā)生較大的變形,在此過程中可能導(dǎo)致位錯(cuò)排布與亞結(jié)構(gòu)特征都產(chǎn)生一定的方向性。為此,分別沿N、R和T3個(gè)方向取樣進(jìn)行透射電鏡分析。觀察3個(gè)方向的透射照片(圖8)可知,熱軋后的TC4板內(nèi)具有大量的位錯(cuò),圖8a和圖8b分別為N面和R面的TEM照片,在其中均可觀察到大量平行分布的位錯(cuò),而T面(圖8d)則可觀察到大量的位錯(cuò)露頭和位錯(cuò)墻。此外,R面(圖8c)內(nèi)還可以觀察到少量位錯(cuò)露頭及由位錯(cuò)分割形成的亞晶胞。對位錯(cuò)在三維空間內(nèi)的分布狀態(tài)進(jìn)行分析可知,熱軋TC4鈦合金中具有大量平行于T分布的位錯(cuò)。圖9a給出了放大后T面觀察到的位錯(cuò)分布與軋制方向之間的關(guān)系。由圖可知,垂直于T面的位錯(cuò)的滑移方向平行于R,而位錯(cuò)的滑移面平行于N面。圖9b為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致晶體發(fā)生切應(yīng)變的模型,當(dāng)外力作用產(chǎn)生平行于滑移方向的切應(yīng)力時(shí)會使位錯(cuò)開動(dòng),材料就可以在沿切應(yīng)力的方向上發(fā)生變形,即板內(nèi)大量平行于T的位錯(cuò)有利于材料產(chǎn)生沿R的變形。據(jù)此可以解釋R具有最好的塑性而屈服應(yīng)力較低的原因。熱軋后TC4鈦合金內(nèi)具有取向的亞結(jié)構(gòu)是造成TC4鈦合金靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能各向異性的第4點(diǎn)原因。綜上所述,熱軋后TC4鈦合金靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的各向異性是由材料內(nèi)織構(gòu)、各向形態(tài)特征不同的組織及明顯具有分布取向的亞結(jié)構(gòu)等因素共同作用的結(jié)果。3材料的屈服強(qiáng)度1)930℃單向軋制的TC4鈦合金具有明顯的力學(xué)性能各向異性,在靜態(tài)加載條件和動(dòng)態(tài)加載條件下,材料的響應(yīng)規(guī)律均為:沿T加載,材料的屈服強(qiáng)度最高,但塑性最差;沿R加載,雖然材料屈服強(qiáng)度最低,但具有最大的失效應(yīng)變;沿N加載的材料屈服強(qiáng)度及失效應(yīng)變均介于T、R之間。2)熱