楊紅斌，李萌蘗，卜恒勇

(昆明理工大學材料科學與工程學院，云南 昆明 650093)

1 前 言

由于國內航空系統(tǒng)對鈦合金損傷容限設計的需求[1]，我國自主研發(fā)了高強韌損傷容限型TC21鈦合金，其名義成分為Ti-6Al-3Mo-2Nb-2Sn-2Zr-1Cr[2]，是目前我國綜合力學性能匹配較好的鈦合金材料[3, 4]。該合金在實際的應用過程中，不可避免會遇到強沖擊作用而發(fā)生高速變形，然而鈦合金在高速沖擊載荷作用下表現出的動態(tài)力學性能與靜載荷作用下的不同[5-8]。為加快TC21鈦合金的工程應用，研究其在不同加載條件下的力學性能十分必要。另外，對于不同組織狀態(tài)的鈦合金材料，性能存在很大的差異[9-11]。為此，本文針對3種組織狀態(tài)的TC21鈦合金，研究微觀組織對準靜態(tài)和動態(tài)壓縮性能的影響，為該合金的實際應用提供一定的參考。

2 實 驗

2.1 實驗材料

試驗用TC21鈦合金為Ф13.8 mm的棒材，微觀形貌為典型的等軸組織，化學成分如表1所示，β轉變溫度為(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 壓縮試驗方法

準靜態(tài)壓縮試驗在萬能材料試驗機上進行，應變速率為0.001 s-1，試樣尺寸為Ф7 mm×10 mm。動態(tài)壓縮試驗采用分離式Hopkinson壓桿技術，其試驗裝置及原理參見文獻[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，壓縮試驗均在室溫下進行。

3 結果與討論

3.1 微觀組織分析

通過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轉變組織構成，等軸α顆粒之間排列緊密，尺寸相對較大，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小針狀α相，并交錯排列。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α條交錯編織。

表1 TC21鈦合金的化學成分

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

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

對于兩相鈦合金來說[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)調性越好。雙態(tài)組織中，β基體中分布的細小次生α條對塑性變形非常不利，使其強度較高，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具有很好的協(xié)調性，但在α片交界處變形不易進行，從而具有較高的強度。因此片層組織具有相對較好的塑性，同時還能具有較高的強度。

3.3 動態(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變率壓縮下的動態(tài)真應力-應變曲線如圖3所示。

可以看出，3種組織試樣在1500 s-1應變率壓縮下，曲線均未出現突然卸載，因此試樣均沒有發(fā)生破壞；隨著應變率提高到2000 s-1時，等軸組織試樣對應的應力-應變曲線為正常卸載，其余兩種組織試樣為突然卸載；當應變率再增加，達到2500和3200 s-1時，曲線均出現突然卸載，3種試樣均發(fā)生了破壞。由此可見，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。在高應變率下，等軸組織的動態(tài)流變應力相對較低，但其具有較好的動態(tài)塑性應變；雙態(tài)組織雖然表現出較高的流變應力，但其失效前的塑性應變較差；片層組織不僅表現出較高的流變應力同時還具有較大的斷裂應變，為三者中強塑性匹配最佳。

圖3 TC21鈦合金3種組織試樣的動態(tài)壓縮真應力-應變曲線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，對鈦合金的塑性和沖擊性能有利；片狀β轉變組織則可以有效地抵抗裂紋的擴展[15, 16]。因此，在本研究中，等軸組織表現出較低的流變應力和較大的斷裂應變，抗沖擊性能較好；雙態(tài)組織與等軸組織正好相反；片層組織同時表現出較大的斷裂應變和較高的流變應力。

4 結 論

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

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

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