TC4钛(tai)合金是20世纪(ji)40年(nian)代初(chu)期研(yan)制(zhi)成功(gong)的一(yi)种(zhong)中(zhong)等(deng)强度(du)的(de)口(kou)β型(xing)钛(tai)合(he)金(jin)，具(ju)有(you)优(you)良的综合(he)性能，誉(yu)称(cheng)万(wan)能(neng)合(he)金(jin)，是(shi)最早(zao)最(zui)广(guang)泛用于飞(fei)机结构的(de)通(tong)用钛合(he)金，包括(kuo)板材(cai)、棒(bang)材和(he)锻(duan)铸(zhu)件(jian)等，主(zhu)要用于(yu)制(zhi)作飞(fei)机(ji)结(jie)构中梁、接(jie)头(tou)和(he)隔框等中(zhong)等承(cheng)力(li)构(gou)件(jian)及(ji)紧固件(jian)、发动机(ji)风扇(shan)和(he)压气(qi)机(ji)盘及(ji)叶片(pian)等[1-3]。我国幅(fu)员(yuan)广(guang)阔(kuo)，南(nan)北(bei)温(wen)差(cha)大(da)，最(zui)低温(wen)度(du)曾达到(dao)-52.3℃。在低温(wen)环境及(ji)介(jie)质条件(jian)下(xia)，材(cai)料(liao)内部(bu)组织结构可(ke)能会(hui)有所(suo)改变，并(bing)引(yin)起(qi)材料的(de)力学(xue)、物理性能(neng)的变化(hua)[4-6]。如果TC4钛(tai)合(he)金(jin)在(zai)低(di)温(wen)环境(jing)中(zhong)发生(sheng)了影响材(cai)料性(xing)能(neng)的(de)微观(guan)组织(zhi)变化，将(jiang)对(dui)航空发动机的飞(fei)行寿命和(he)飞机(ji)的(de)飞行安全造(zao)成极(ji)大(da)的(de)影(ying)响。因此(ci)了(le)解(jie)TC4钛合(he)金在低温环境(jing)条(tiao)件下(xia)的(de)力(li)学和(he)物理(li)特(te)性及微(wei)观组织(zhi)变化，对航空发动(dong)机(ji)与(yu)飞机(ji)的结构(gou)设计(ji)和构(gou)件(jian)的(de)安全使用至(zhi)关重要。
1、实验(yan)材(cai)料与(yu)实(shi)验方法(fa)
本工(gong)作所(suo)用(yong)TC4钛合金(jin)取(qu)自直(zhi)径(jing)14mm的(de)热轧(ya)棒(bang)材。该(gai)棒(bang)材的(de)热(re)处理(li)制度为在750℃下保(bao)温(wen)1.5h，然后(hou)空(kong)冷。合金(jin)的化(hua)学(xue)成(cheng)分(fen)如表1所(suo)示(shi)。TC4棒材(cai)参照GB/T 13239-2006标准加工(gong)成(cheng)如图(tu)1所(suo)示(shi)的(de)低(di)温拉(la)伸(shen)试样。实(shi)验(yan)过程如(ru)下：首(shou)先在(zai)室(shi)温下将(jiang)试样(yang)夹(jia)持(chi)固(gu)定在恒温箱内；然后利用(yong)液(ye)氮(dan)将恒(heng)温箱冷(leng)却到243K；试(shi)样在(zai)低温环境(jing)中静置45min后(hou)，在该环境中
以0.2mm/min的(de)加载速率(lv)测试其(qi)拉伸性(xing)能。对(dui)原始状(zhuang)态(tai)试样和(he)经(jing)过相(xiang)同(tong)低(di)温(wen)处理(li)但没(mei)有(you)进行(xing)拉(la)伸(shen)测(ce)试(shi)的试样(yang)，利用X射(she)线(xian)衍射(she)(XRD)研究合金的相(xiang)组成(cheng)，然(ran)后比(bi)较其变(bian)化。对原(yuan)始状态(tai)试样和(he)经(jing)低温处(chu)理后(hou)但(dan)没(mei)有进(jin)行拉伸(shen)测试的(de)试(shi)样进(jin)行表(biao)面(mian)抛光和腐蚀(shi)后(hou)，利(li)用(yong)金(jin)相(xiang)显(xian)微(wei)镜对比(bi)观察合(he)金(jin)的金(jin)相组织。腐蚀剂(ji)由10mL HF，5mL HNO。和(he)85mL H20混合而成。
2、结果与(yu)讨论(lun)
图2为TC4钛合(he)金(jin)在243K低温(wen)下(xia)的(de)典型拉(la)伸应力(li)一应变曲线。由(you)图(tu)可知(zhi)，TC4钛(tai)合金在243K低温下的(de)拉伸过程中(zhong)，当达到屈(qu)服(fu)强(qiang)度(du)后，随着(zhe)应变(bian)的增(zeng)加(jia)，应(ying)力(li)略微(wei)增(zeng)加(jia)，当应(ying)变(bian)量达(da)到2％直(zhi)到接近瞬断前，应力(li)基本(ben)维(wei)持(chi)不变即屈(qu)服强度(du)很高。这(zhe)说(shuo)明(ming)TC4合金在低温(wen)下(xia)仍具(ju)有良(liang)好的(de)塑性，在恒应力下(xia)发(fa)生(sheng)塑性滚动(dong)，低(di)温(wen)下(xia)拉伸断(duan)裂(lie)时(shi)，出现(xian)颈(jing)缩现(xian)象，呈现(xian)塑性断(duan)裂(lie)特征(zheng)。
表2列出了(le)TC4钛(tai)合(he)金(jin)在室温(wen)下和(he)243K低(di)温(wen)下的拉伸性(xing)能。由(you)表可知(zhi)，TC4钛(tai)合(he)金在243K低(di)温(wen)环(huan)境下(xia)的(de)抗(kang)拉(la)强(qiang)度和屈服(fu)强(qiang)度(du)明显高(gao)于室温(wen)下(xia)的抗(kang)拉强(qiang)度和(he)屈服(fu)强度，这说明(ming)，低温处(chu)理使(shi)TC4的微观(guan)结构(gou)发(fa)生(sheng)了有(you)利(li)于拉(la)伸性(xing)能的变化(hua)，因(yin)为(wei)其(qi)力(li)学(xue)性(xing)能和(he)使用性(xing)能在(zai)很(hen)大程度(du)上取决(jue)于显微(wei)组织[7]。但(dan)是(shi)TC4钛合金在(zai)低(di)温下的(de)延(yan)伸(shen)率明(ming)显(xian)降(jiang)低了，说(shuo)明虽(sui)然(ran)TC4
在243K低温(wen)下仍然具有良(liang)好(hao)塑(su)性，但是其(qi)塑性(xing)比室(shi)温(wen)有所(suo)下降。
图3示(shi)出了(le)TC4钛合(he)金(jin)原始(shi)状(zhuang)态(tai)和(he)经低(di)温(wen)处理(li)后(hou)的微(wei)观(guan)组(zu)织结(jie)构(gou)。由(you)图(tu)3a可知(zhi)，原(yuan)始状(zhuang)态时(shi)，TC4是(shi)由(you)a固溶体(ti)和(he)存在于(yu)a晶(jing)粒(li)间的(de)p固溶体(ti)析(xi)出(chu)相(xiang)，即(ji)魏氏(shi)体a相组(zu)成(cheng)。由(you)图(tu)3b可(ke)知，低温(wen)处(chu)理(li)后(hou)，TC4钛合(he)金(jin)的显(xian)微(wei)结(jie)构在光学显(xian)微(wei)尺(chi)度下(xia)并(bing)没有(you)明显的变化。
图4给出了(le)TC4钛(tai)合金(jin)原(yuan)始(shi)状态(tai)和(he)低温(wen)处(chu)理状(zhuang)态(tai)的XRD曲线，图中TC4代(dai)表原始(shi)状(zhuang)态(tai)，TCAT代表(biao)低温处理(li)状(zhuang)态(tai)。由原始(shi)状态的XRD曲(qu)线(xian)可(ke)知，原始TCA钛合金具(ju)有巾(jin)Ti和(he)pTi两种(zhong)相结(jie)构(gou)，且(qie)a固(gu)溶体沿(101)晶(jing)面具(ju)有(you)明显(xian)的(de)取(qu)向(xiang)生(sheng)长(zhang)，这个(ge)结果(guo)与图(tu)3所(suo)示(shi)显微(wei)结(jie)构(gou)是一致的(de)。低温处理后TCA钛合金(jin)中的相(xiang)结构(gou)没(mei)有发生(sheng)本(ben)质(zhi)变(bian)化，仍然(ran)是α-Ti和(he)β-Ti两种相(xiang)结构(gou)。从图(tu)中(zhong)两(liang)个特(te)征(zheng)峰的强(qiang)度来看(kan)，低(di)温处理(li)前后p固溶(rong)体(ti)的(de)相(xiang)结构(gou)基(ji)本没有(you)变化(hua)。但(dan)低(di)温处理(li)后(hou)，α固(gu)溶体(ti)的(101)晶面的(de)特征(zheng)峰(feng)强度(du)变(bian)弱(ruo)，而其(qi)他晶面(mian)的(de)特(te)征峰强度(du)没有(you)改变，说(shuo)明a固溶(rong)体沿(101)晶(jing)面(mian)的(de)取(qu)向变(bian)差(cha)。取(qu)向(xiang)性(xing)变差后(hou)，裂纹(wen)沿着(101)面(mian)持续扩展的(de)难(nan)度变(bian)大，钛合金(jin)的抵抗断裂(lie)的(de)能(neng)力(li)提高(gao)，导致TCA钛(tai)合金(jin)在243K低(di)温(wen)下(xia)的(de)抗拉强(qiang)度(du)提高，而塑(su)性(xing)有(you)所(suo)下(xia)降。
3、结论
(1)TC4钛(tai)合金(jin)在(zai)243K的拉伸(shen)强度(du)和(he)屈服强度高于(yu)室(shi)温(wen)时(shi)的值(zhi)，但(dan)延(yan)伸(shen)率有一(yi)定程(cheng)度(du)的下降(jiang)。
(2)243K低(di)温下，a固(gu)溶体取向(xiang)性(xing)变差是TC4钛合金(jin)低(di)温拉(la)伸(shen)强(qiang)度和屈(qu)服强度(du)提高(gao)的原因(yin)。
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