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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