熱處理對TC4鈦合金厚板組織和性能的影響
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更新時(shí)間：2016-04-23
通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，研究了固溶溫度、固溶時(shí)間、時(shí)效溫度、時(shí)效時(shí)間四因素對TC4鈦合金厚板顯微組織、室溫拉伸性能及斷裂韌性的影響趨勢，對比分析了不同熱處理制度下的顯微組織差異及其與合金性能的關(guān)系，確定了TC4鈦合金厚板分別獲得最佳室溫強(qiáng)度-塑性或最佳室溫強(qiáng)度-韌性匹配的熱處理制度。
? ? TC4鈦合金具有優(yōu)異的綜合性能和良好的工藝特性，是鈦合金中使用最廣泛、最成熟的(α+β)兩相鈦合金。普通TC4鈦合金抗拉強(qiáng)度一般要求在800MPa～1000MPa之間，伸長率4%～16%之間，斷裂韌性典型值K1c為55MPa·m1/2，雙態(tài)組織的K1c最高可達(dá)65MPa·m1/2。然而低間隙TC4鈦合金由于嚴(yán)格控制間隙元素C、O、N和雜質(zhì)元素Fe的含量，雖然會降低一定強(qiáng)度，但其斷裂韌性K1c可達(dá)到85MPa·m1/2。科研人員采用普通TC4鈦合金厚板，嘗試僅通過固溶時(shí)效熱處理，使其在強(qiáng)度水平不降低的情況下斷裂韌性達(dá)到低間隙TC4鈦合金的水平。因此通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，研究了固溶溫度、固溶時(shí)間、時(shí)效溫度、時(shí)效時(shí)間四因素對TC4鈦合金厚板顯微組織、室溫拉伸性能及斷裂韌性的影響趨勢，對比分析了不同熱處理制度下的顯微組織差異及其與合金性能的關(guān)系，確定了TC4鈦合金厚板分別獲得最佳室溫強(qiáng)度-塑性或最佳室溫強(qiáng)度-韌性匹配的熱處理制度。
? ? 試驗(yàn)材料為70mm厚TC4鈦合金板材，該合金板經(jīng)單相區(qū)和兩相區(qū)多火次軋制而成，得到的顯微組織為兩相區(qū)的加工組織，即轉(zhuǎn)變β基本上分布著片層狀α相，其長度在20μm～40μm，片層狀α相平均寬度約為8μm，且有明顯的加工流線，采用金相法測定該合金的相變點(diǎn)溫度為（985±5）℃。
? ? 按照正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)，以極差為依據(jù)研究固溶溫度（975、995、1015、1045℃）、固溶時(shí)間（10、20、40、60min）、時(shí)效溫度（670、700、730、760℃）和時(shí)效時(shí)間（1、2、4、6h）對TC4鈦合金厚板組織性能的影響，篩選出最佳試驗(yàn)條件及有關(guān)影響因素的大小，固溶處理和時(shí)效處理后的冷卻方式均選擇空冷，按各因素和水平設(shè)計(jì)的16種試驗(yàn)方案進(jìn)行試樣熱處理，沿板材軋制方向切取工作段Φ5mm×25mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。斷裂韌性試樣取板材L-T方向，采用厚度B=20mm，寬度W=40mm的CT試樣。分別進(jìn)行室溫拉伸和斷裂韌性測試，觀察顯微組織形貌及斷口形貌。試驗(yàn)結(jié)果如下:? ? （1）TC4鈦合金厚板在975℃相變點(diǎn)下固溶處理后顯微組織為雙態(tài)組織，晶界處析出互不相連的球狀和長條狀初生α相，晶內(nèi)為β轉(zhuǎn)變組織中分布有次生的片狀α相；而在995、1015或1045℃相變點(diǎn)上固溶處理后，初生α相全部消失，組織為魏氏組織，晶界平直而清晰，晶內(nèi)為針狀α相。
? ? （2）相變點(diǎn)上固溶處理的試樣，其裂紋擴(kuò)展路徑曲折，主裂紋上有許多的微小裂紋，斷口粗糙，高低起伏較明顯，斷口處有明顯的韌窩；而相變點(diǎn)下固溶處理的試樣，其裂紋擴(kuò)展路徑平滑，斷口沒有明顯的高低起伏，斷口為纖維狀撕裂。
? ? （3）TC4鈦合金厚板室溫強(qiáng)度、塑性及斷裂韌性主要受固溶溫度影響，隨固溶溫度從975℃相變點(diǎn)下增加到1045℃相變點(diǎn)上，強(qiáng)度變化不大，伸長率和斷面收縮率大幅下降，斷裂韌性明顯升高，995℃固溶處理，670～760℃時(shí)效處理可使TC4鈦合金厚板獲得最佳強(qiáng)度-韌性匹配，此時(shí)抗拉強(qiáng)度可達(dá)940MPa以上，塑性可達(dá)8%以上，K1c可達(dá)87MPa·m1/2以上。
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