TC4钛合金 (名义成分为Ti-6Al-4V)是一种典
型的 α+β型两相合金,其具有优异的耐腐蚀性、强韧性以及高温力学性能等众多优异特性,在航空发动机、海洋工程、化学工程等领域均得到了广泛的
应用,该合金也被称为万能钛合金[1-2]。

TC4钛合金的生产工艺主要有熔炼、锻造、轧
制等,目前TC4钛合金轧制板材的应用十分广
泛[3-4]。韩盈等[5]研究了轧制工艺对TC4钛合金板材织构演变及组织和性能的影响,研究表明:顺向
轧制和换向轧制2种轧制工艺均会起到细化晶粒的
作用,其中,板材经顺向轧制后,微观组织中存在
带状组织,α晶粒被拉长;板材经换向轧制后,组
织中晶粒破碎得更加均匀,经退火处理后,形成大
量等轴α晶粒;将2种轧制工艺进行对比,板材经
换向轧制后,其塑性较高,但强度较低。王伟等[6]
研究了轧制火次对EB熔炼 TC4钛合金显微组织、织
构和力学性能的影响,研究表明:轧制火次的增加使
得铸态组织中的原始粗大晶粒破碎,组织中的晶粒出
现等轴化,并有细小的等轴α相形成,其小角度晶界
增大,合金经三火轧制后的小角度晶界增加了35.1%。
本文对不同轧制规格的TC4钛合金板材进行分
析和研究,探索出不同轧制厚度的TC4钛合金板材
组织与力学性能的对应关系,为实际生产提供参考。
1、试验材料与方法
本试验所选用的TC4钛合金板坯的规格为
250mm×10mm×2000mm,通过隧道式天然气加
热炉和辊底式电阻炉升温加热保温处理后,在温度
为850~2020℃下,经 Ф900/Ф840mm×2450mm四
辊可逆式热轧机四火次轧制,第1火次轧制为开坯
轧制,第 1~3火次的轧制厚度分别为50.0、6.0和
3.5MM,第4火次轧制为成品轧制,通过包覆叠轧
技术将厚度为3.5mm的半成品TC4钛合金板材经
3~9道次轧制为厚度为2.0、1.5、1.0和0.8mm
这4种规格的TC4钛合金板材,再对其进行780℃×
2h退火处理,其具体成分见表1。

TC4钛合金板坯
的原始金相组织如图1所示,其纵向与横向组织均
为等轴组织,此组织以粗大初生α相 (αp)为主,
同时基体上存在细条状的次生α相与由次生α相之
间的残余 β相构成的 β转变组织 (βT)。

TC4钛合金板材相变点测试执行GB/T 23605-2009
[7]标准要求,使用金相法测得TC4钛合金板材
的相变点为995~1000℃。再将4种规格的TC4钛合金板材进行切割加工,进行金相组织与室温拉伸
等性能测试。图2为轧制TC4钛合金板材的方向标
记:轧制方向 (RD向) 和横向 (TD向),其中,
图 2A为金相组织的取样位置,图 2b为拉伸试样取
样位置以及拉伸断口观察位置。使用OLYmPUS光
学显微镜观察TC4钛合金板材金相组织,TC4钛
合金板材的室温以及高温拉伸测试使用INSTRON-5580万能试验机,使用 IMAgEpro5测量组织中晶
粒的直径,使用QuANTA型扫描电镜观察拉伸断口
的微观 形 貌,每 次 测 试 取 3组 试 样,最 后 取 平
均值。

2、结果与讨论
2.1 金相组织
图3为不同规格TC4钛合金板材的金相组织。

由图3可得,经轧制及退火后的TC4钛合金板材组
织为α相与残余β相组成的混合组织,不同厚度的TC4钛合金板材的α相的形貌不同,呈现出线条状、
等轴状以及细小团状,残余β相存在于各α相之
间。与原始TC4钛合金板材相比,经轧制退火后,
TC4钛合金的晶粒细化明显,且存在明显的轧制迹
象,这是由于TC4钛合金板材的组织没有产生完全
动态再结晶所致。在厚度为0.8、1.0和1.5mm的
C4钛合金板材的RD向组织中有大小晶粒交替在
一起的带状组织,其中,厚度为1.0mm的TC4钛
合金板材中带状组织最为明显,这是因为:在轧制
过程中,TC4钛合金板材的柱面和基面在进行滑移
时,晶粒的排列取向不发生改变,仅会绕着 c轴 (c
轴为由 横 向 (TD) 倾 向 法 向 (ND) 且 靠 近 法 向
(ND),产生较强的基面织构)进行转动,但锥面滑移
与之不同,其会导致晶粒产生倾斜现象,而倾斜会使
组织中的晶粒产生再结晶或旋转。而厚度为2.0mm的
TC4钛合金板材中带状组织并不明显,其α晶粒被明
显拉长,呈长条状且不均匀地分布在组织中。4种规格
的TC4钛合金板材 TD向组织中均以细小的等轴α晶
粒为主,金相组织中并未发现明显的带状结构组织。
TC4钛合金板材的 RD与 TD向组织中均存在大量
的细小 α晶粒,说明TC4钛合金板材的受力状态在轧
制过程中发生了改变,原始TC4钛合金板坯中的晶粒
并非沿着某固定方向进行扭转,导致形变区域的储存
能以及位错密度增加,为组织中晶粒的形核提供了大量
驱动能,导致TC4钛合金板材在退火过程中容易产生再
结晶,使得组织中产生的大量的细小等轴 α晶粒[8]。这
与王牛俊等[9]对不同加工条件下TC4钛合金板材组织的
研究结果一致,即轧制工艺对组织中的晶粒有细化作用。
2.2 拉伸性能
图4为不同厚度TC4钛合金板材的力学性能,
图5为不同厚度TC4钛合金板材拉伸过程中的工程
应力-工程应变曲线。由图4和图5可知,随着厚度
的增加,TC4钛合金板材强度总体呈现出先降低再
趋于稳定的趋势,而塑性呈现出先升高再趋于稳定
的趋势。不同规格TC4钛合金板材的强度较低而塑
性较高,这是因为:退火会使板材在轧制过程中产生
加工硬化以及位错密度降低的现象,从而使轧制应力
得到充分释放。当厚度为0.8mm时,TC4钛合金板
材的强度最大,最大抗拉强度RM为1075MPa、最大
屈服强度 REL为1027MPa,而塑性方面,不同规格TC4
钛合金板材的伸长率 A大致相同,最大值为17.5%。
TC4钛合金板材在室温拉伸过程中,当拉应力
沿界面扩展遇阻碍时,微裂纹扩展过程中形成的位
错会在 α/β相界面上造成塞积,在位错塞积力和裂
纹尖端作用力的共同作用下,α/β相的片层内会有
微孔洞形成,此时微裂纹扩展以微小孔聚合的方式
进行,最终导致断裂[10]。而厚度为0.8mm的TC4
钛合金板材的强度较大,这是由于TC4钛合金板材
轧制过程中的变形量较大,内部点阵畸变较大,形
成的储存能更多,从而会有较多的再结晶形核位置,
晶粒更加细小,在拉伸过程中细小晶粒对位错运动
的阻碍作用更强,位错在细小晶粒区域被阻塞并形
成位错塞积群,必须施加更大的外力才可使位错再
次开动,导致TC4钛合金板材的强度较高[11]。

由图 4可知,4种规格TC4钛合金板材经轧制
退火后沿 RD与 TD方向的强度与塑性均有一定差
值,其中0.8mm的TC4钛合金板材最为明显,其
抗拉强度RM的最大差值为33MPa,屈服强度 REL
的最大差值为32MPa,而伸长率A几乎相同,最大
值差值为3%,说明4种规格TC4钛合金板材具有
一定程度的各向异性。

4种规格的TC4钛合金板材沿 RD方向的抗拉
强度较高,同时还具有良好的塑性,主要是因为:
轧制导致晶粒细化,细小的晶粒会提高晶界总面积,
而晶界强度在室温条件下大于晶内强度,并能够阻
碍位错进行滑移,进而提高抗拉强度,在 TC4钛合
金板材断裂时会使裂纹扩展方向发生偏转,增加裂
纹扩展路径,使其伸长率升高。同时,TC4钛合金
板材沿 RD方向的屈服强度低于 TD方向,这是由于
在进行拉伸时,TC4钛合金板材 RD方向的拉应力
与 {0001}晶面形成较小的夹角,组织中滑移系容易开动,导致TC4钛合金板材的屈服强度下降,随后
在断裂过程中会产生加工硬化和位错交集现象,致使
TC4钛合金板材具有较低屈服强度的同时具有较高的抗拉强度。在拉伸方向为TD向时,拉应 力 与
{0001}晶面之间的夹角较大,滑移系难以开动,需
较大外力来开动滑移系,导致TC4钛合金板材的屈服
强度增加,在发生屈服后,组织中更容易产生应力集
中现象,导致TC4钛合金板材的抗拉强度降低[12-13]。
2.3 断口形貌
图 6为不同规格TC4钛合金板材拉伸后的微观
断口形貌,其微观断口形貌大致相同,均以韧窝为
主,形貌均为等轴韧窝 (位置 A′),较大的韧窝中
有少量小韧窝分布其中,具有明显的韧性断裂特征,
宏观表现为具有较大的伸长率。韧窝的形成是由于
合金内部组织以等轴α相作为微孔形成的核心源,
随后经过微孔形核、长大以及聚合等方式使合金组
织有微裂纹产生并扩散、断裂,在微孔聚合长大过
程中韧窝逐渐长大[14]。合金的塑性通常由韧窝的深
浅和大小决定,当韧窝深且大时,合金具有良好的
塑性,当韧窝浅且小时,合金的塑性较差。

当TC4钛合金板材厚度为0.8mm时,其 RD方
向 (图 6A) 和 TD方向 (图 6b) 除具有大量韧窝
外,还有一定数量的小平面 (位置 B),具有圆润
且光滑的底部,并有微小的空洞存在,以及较锐利
的棱边,同时韧窝内部还有大量特别细小的微裂纹
(位置 C和位置 D),说明施加拉应力后,裂纹在组
织中扩展时的尖端应力较大,导致裂纹在向前扩展
时,也向垂直于主裂纹扩展的方向延伸,形成二次
裂纹,从而增加了裂纹扩展的曲折性,导致合金的
强度增加、塑性降低。同时,在图 6A所示断口形貌
中还有一定数量的撕裂棱 (位置 E),撕裂棱的出
现表明强度增大而塑性降低,此与TC4钛合金板材
的宏观拉伸性能一致。当TC4钛合金板材厚度为
1.0MM时,TD方向 (图 6D)的断口形貌中有空洞
存在 (位置 F),这是因为:组织中晶粒十分均匀细
小,试样在拉伸过程中,组织内的裂纹扩展时会遇
到大量细小 α晶粒,产生应力集中现象,裂纹若继
续扩展,扩展方向会发生偏转,其沿着 α/β晶界交
界处进行,在此位置形成空洞,导致塑性下降。当
TC4钛合金板材厚度为1.5和2.0mm时,其 RD方向
和 TD方向的断口形貌基本相同,无明显差异,说明
TC4钛合金板材的力学性能接近,差异性较小。
由图6可得,在 RD方向,当TC4钛合金板材
厚度较厚时 (1.5和2.0mm),断口微观形貌由大
量韧窝组成,当厚度较薄时 (0.8mm),由于变形
量的增加,断口微观形貌中出现撕裂棱以及微裂纹,
这意味着TC4钛合金板材的强度增加、塑性降低。
TD方向的变化趋于与 RD方向类似,均为随着TC4
钛合金板材厚度的变薄,断口由单一的韧窝形貌向
韧窝与其他形貌并存的方向发展,区别之处为当
TC4钛合金板材厚度较薄时,RD方向的断口形貌以
韧窝、微裂纹和撕裂棱为主,而 TD方向的断口形
貌以韧窝、微裂纹和空洞为主。
3、结论
(1)经轧制及退火后的TC4钛合金板材组织为
α相与残余 β相组成的混合组织,α相形貌呈现出
线条状、等轴状以及细小团状等,与原始板材相比,
经轧制退火后,TC4钛合金板材晶粒细化明显,且
存在明显的轧制迹象。
(2)TC4钛合金板材强度总体呈现出随着厚度
的增加先降低再趋于稳定的趋势,而塑性呈现出先
升高再趋于稳定的趋势。当厚度为0.8mm时,TC4
钛合金板的强度最大,最大的抗拉强度RM 为
1075MPa、最大的屈服强度 REL为1027MPa。而塑
性方面,不同规格TC4钛合金板材的伸长率 A大致
相同,最大值为17.5%。4种规格TC4钛合金板材
经轧制退火后沿 RD与 TD方向的强度与塑性均有一
定差值,说明此4种规格TC4钛合金板材具有一定
程度的各向异性。
(3)不同规格TC4钛合金板材拉伸后的断口形
貌均以韧窝为主,具有明显的韧性断裂特征,其中
厚度为0.8mm的TC4钛合金板材沿TD方向的断口
形貌中除具有韧窝形貌外,还具有一定数量的小平
面,韧窝内部还存在有大量特别细小的微裂纹。
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