钛(tai)合金具(ju)有(you)比(bi)强度高、耐腐蚀(shi)性好(hao)和(he)耐(nai)高(gao)温(wen)等优(you)良(liang)性(xing)能(neng)，广泛应用于航(hang)空(kong)航(hang)天、石油化工(gong)、舰船等(deng)领(ling)域(yu)[1-
3]。随(sui)着航空(kong)工业(ye)的发展(zhan)，钛合(he)金(jin)紧固(gu)件(jian)的用(yong)量越来越大。在同样(yang)的(de)强度(du)指标下，相比(bi)钢(gang)制紧固(gu)件(jian)，钛(tai)合(he)金(jin)
紧固件减重(zhong)30％~40％[4，5]。波音(yin)747飞(fei)机(ji)上以钛(tai)制(zhi)紧固件代(dai)替(ti)钢(gang)制(zhi)紧(jin)固件后，其结(jie)构重(zhong)量减(jian)轻(qing)1814kg；美(mei)
国Ｃ-5Ａ飞(fei)机采(cai)用钛合(he)金螺栓后，减重约1000kg；俄罗斯伊(yi)尔(er)96飞机(ji)上所使用(yong)的(de)钛标准(zhun)件(jian)达(da)14.2万(wan)件，减(jian)重
约(yue)600kg。同时，TC4钛合(he)金与(yu)Ti-45Nb合(he)金搭配，制成的双金属铆钉已(yi)经在(zai)空客和波音(yin)飞(fei)机(ji)上获(huo)得大量
应(ying)用(yong)[6-8]。钛合金(jin)紧(jin)固(gu)件(jian)还(hai)具有优异(yi)的(de)耐(nai)腐蚀(shi)性(xing)能(neng)，其(qi)正(zheng)电(dian)位性(xing)能与碳纤(xian)维(wei)复合(he)材(cai)料(liao)相(xiang)匹配(pei)，能够(gou)有效(xiao)防止紧固件的(de)电(dian)偶腐(fu)蚀(shi)。
目前(qian)，钛(tai)合(he)金(jin)紧(jin)固件已(yi)经成为(wei)先进民用飞(fei)机(ji)和(he)军用飞(fei)机(ji)必不可少的关(guan)键(jian)材料(liao)[9-14]。
TC4钛合金(jin)是(shi)国内外应(ying)用(yong)最为(wei)广(guang)泛(fan)的钛(tai)合(he)金，也是航空紧固件使用最为普遍(bian)的钛合(he)金(jin)。前期(qi)研(yan)究表(biao)明，显(xian)微
组(zu)织参数对TC4钛合金(jin)的拉(la)伸性(xing)能(neng)以及疲(pi)劳(lao)性能有着显著影(ying)响(xiang)[15-17]。但(dan)关于(yu)不(bu)同类型显(xian)微(wei)组(zu)织(zhi)对(dui)TC4钛合(he)
金拉(la)伸(shen)、疲(pi)劳等综(zong)合性(xing)能(neng)影(ying)响的(de)研究(jiu)尚(shang)不(bu)透彻，而(er)这(zhe)些(xie)恰好(hao)是(shi)紧固(gu)件制(zhi)造最为(wei)关心(xin)的(de)问(wen)题。为(wei)此(ci)，研(yan)究(jiu)了(le)
TC4钛(tai)合(he)金丝材不同微(wei)观(guan)组(zu)织类(lei)型(xing)对其(qi)力(li)学(xue)性(xing)能的影响，以期为生(sheng)产企业(ye)合理选择(ze)TC4钛合(he)金紧(jin)固件的(de)热(re)处(chu)理(li)
制度(du)提供一定(ding)的(de)参考。
1、实(shi)验(yan)
实验材料(liao)为经过(guo)α＋β两(liang)相区轧制变形的(de)规(gui)格为ϕ20ｍｍ的TC4钛(tai)合金(jin)丝材(cai)，其相(xiang)变点为(wei)992℃。按照表1中3种(zhong)
不同工艺对TC4钛合(he)金(jin)丝(si)材进(jin)行(xing)热(re)处(chu)理(li)，分别(bie)获得等(deng)轴、双(shuang)态(tai)、片(pian)层3种(zhong)典型(xing)组(zu)织(zhi)。采用扫描电(dian)子(zi)显微(wei)镜(jing)(SEM)和透(tou)射电子显微镜(jing)(TEM)观(guan)察(cha)微(wei)观(guan)组织(zhi)。采用Instron-4507万(wan)能试(shi)验(yan)机(ji)进(jin)行拉(la)伸(shen)性(xing)能(neng)测(ce)试。
采(cai)用(yong)SEM-SERVO原(yuan)位疲(pi)劳(lao)试(shi)验机进(jin)行(xing)疲(pi)劳试(shi)验(yan)，应力(li)比(bi)Ｒ＝0.1。
2、结果(guo)与分析
2.1微(wei)观(guan)组织特征
TC4钛(tai)合金丝材经相(xiang)变(bian)点(dian)以下(xia)(820℃)热处(chu)理(li)获得等(deng)轴(zhou)组织(zhi)，其(qi)ＴＥＭ照片(pian)如(ru)图(tu)1所示。
TC4钛合金经(jing)过(guo)大变(bian)形(xing)量(liang)轧制后(hou)，内(nei)部(bu)组织结构(gou)得(de)到(dao)充(chong)分的变(bian)形(xing)和(he)破(po)碎(sui)，获(huo)得(de)的等轴(zhou)晶(jing)粒均匀细小(xiao)，α晶粒
尺寸(cun)约为(wei)1μｍ(图(tu)1ａ)。进一(yi)步观察(cha)，大部分等(deng)轴晶粒(li)内位(wei)错(cuo)聚(ju)集(ji)，位错密(mi)度较高，或排(pai)列(lie)整(zheng)齐(qi)或(huo)交织(zhi)成(cheng)网
状(zhuang)(图(tu)1ｂ)，这些都(dou)反(fan)映(ying)了α相(xiang)形变的(de)特(te)征。等轴组织内(nei)部(bu)存(cun)在(zai)大量亚晶(jing)界(jie)，α相本身(shen)没(mei)有发(fa)生再结(jie)晶(jing)(图(tu)1
ｃ)。TC4钛(tai)合(he)金(jin)形变(bian)加工和(he)热处(chu)理(li)过(guo)程(cheng)中(zhong)，晶(jing)粒(li)不(bu)断细化(hua)，晶(jing)界面积(ji)不(bu)断增(zeng)加(jia)，以(yi)致(zhi)阻碍(ai)位错(cuo)运动的(de)障(zhang)碍(ai)越
来(lai)越多，位错密度增大，从(cong)而起到(dao)增加材料强度(du)的效(xiao)果(guo)。
图(tu)2为(wei)TC4钛(tai)合金(jin)丝(si)材经(jing)固溶(rong)时(shi)效(xiao)处(chu)理后双(shuang)态组织的(de)ＳＥＭ照片(pian)，其球(qiu)状初生(sheng)α相(xiang)尺(chi)寸约为(wei)10μｍ。图3为TC4
钛合(he)金(jin)丝(si)材双(shuang)态组(zu)织的(de)ＴＥＭ照片。在(zai)双(shuang)态(tai)组(zu)织(zhi)中，相邻(lin)的球状(zhuang)α相(xiang)之间(jian)依(yi)然存在一定(ding)数量(liang)的亚晶界(图(tu)3ａ
)。球(qiu)状(zhuang)α相(xiang)内位(wei)错(cuo)密度不高，少量位错排(pai)列(lie)成(cheng)位错墙(qiang)(图3ｂ)。排列整齐(qi)的位错墙及低(di)的(de)位(wei)错(cuo)密度(du)表明(ming)，α
相(xiang)发生(sheng)了(le)静(jing)态(tai)回(hui)复(fu)和(he)再结(jie)晶(jing)。片(pian)状α相内(nei)及α/β相(xiang)界面上仍(reng)有(you)一(yi)定数(shu)量(liang)的(de)位错(图(tu)3ｃ)，但是(shi)与(yu)等轴(zhou)组(zu)织相(xiang)
比(bi)，位(wei)错(cuo)密(mi)度显(xian)著下降。
TC4钛合金(jin)丝(si)材在(zai)相(xiang)变点以上(shang)(1020℃)热处理获(huo)得(de)片(pian)层组(zu)织(zhi)，其(qi)ＴＥＭ照片如图(tu)4所示(shi)。在(zai)相变点(dian)以(yi)上经(jing)过(guo)一(yi)
定时(shi)间(jian)的保(bao)温，TC4钛合金丝(si)材(cai)片层(ceng)组(zu)织(zhi)的(de)β晶粒不(bu)断(duan)长(zhang)大(da)，平(ping)均(jun)尺寸(cun)约(yue)为(wei)300μｍ。在(zai)单个β晶粒内可(ke)以看
到(dao)不(bu)同(tong)方(fang)向(xiang)的α集束(shu)(图(tu)4ｂ)，α片(pian)的(de)厚度(du)平均约为(wei)1μｍ，不(bu)同方(fang)向(xiang)的片状α相(xiang)内(nei)及(ji)α/β相界面(mian)上(shang)仍有(you)一
定数(shu)量的位错(图(tu)4ｃ)，但位(wei)错(cuo)密(mi)度较低。
2.2显微(wei)组织(zhi)类型对(dui)力学(xue)性能的影响(xiang)
表2为不(bu)同(tong)显(xian)微(wei)组(zu)织(zhi)TC4钛合(he)金(jin)丝材的(de)室温(wen)拉(la)伸(shen)性(xing)能(neng)。从(cong)表2可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，等(deng)轴(zhou)组(zu)织(zhi)TC4钛(tai)合(he)金(jin)丝(si)材(cai)的(de)强(qiang)度(du)最(zui)高，
这是由于(yu)原始(shi)等(deng)轴组(zu)织α晶(jing)粒(li)细(xi)小(xiao)且(qie)具(ju)有(you)较(jiao)高的(de)位错(cuo)密(mi)度。塑(su)性(xing)方(fang)面(mian)，双(shuang)态(tai)组(zu)织(zhi)最好，片层(ceng)组织(zhi)最差，这是
因为(wei)片(pian)层组织原始(shi)β晶粒(li)粗大(da)，滑移(yi)系少，变形协(xie)调能力(li)较弱(ruo)，导致(zhi)其(qi)塑(su)性(xing)较(jiao)低。
表(biao)3为(wei)应力比(bi)Ｒ＝0.1时3种显(xian)微组织(zhi)的(de)TC4钛(tai)合(he)金丝(si)材的(de)低(di)周疲劳试验(yan)结果(guo)。其(qi)中，σｍａｘ为(wei)最(zui)大加(jia)载应
力。图(tu)5为(wei)不同(tong)显(xian)微(wei)组织(zhi)TC4钛(tai)合(he)金丝材(cai)疲劳试(shi)样在不同(tong)循环(huan)周次(ci)下的裂(lie)纹扩展长(zhang)度(du)。由图(tu)5可见，当(dang)裂纹(wen)尺
寸<250μｍ时，不同(tong)显微(wei)组(zu)织(zhi)TC4钛合(he)金(jin)丝(si)材(cai)对应(ying)的(de)裂(lie)纹扩(kuo)展(zhan)速(su)率有很大(da)差异(yi)，片层组织(zhi)的扩(kuo)展速率最(zui)低，
等(deng)轴(zhou)组(zu)织最高(gao)。但当裂纹长(zhang)度>250μｍ时(shi)，3种组(zu)织的裂纹扩展(zhan)速率无显著(zhu)差(cha)异。
等轴组(zu)织初始(shi)位错(cuo)密度较(jiao)高(gao)，当(dang)裂(lie)纹遇(yu)到(dao)等轴(zhou)α相(xiang)时(shi)直接(jie)穿过(guo)，α相(xiang)界(jie)存(cun)在(zai)的少(shao)量(liang)残(can)余β相(xiang)对疲劳(lao)裂(lie)纹(wen)扩展
的(de)阻(zu)碍(ai)作(zuo)用(yong)较小，因而(er)疲(pi)劳寿(shou)命(ming)较(jiao)低(di)。片层(ceng)组织(zhi)的疲劳(lao)寿命(ming)最(zui)高，这是(shi)由(you)于(yu)片层组(zu)织能(neng)够(gou)改(gai)变(bian)裂纹扩(kuo)展方(fang)向
以及(ji)产(chan)生二次(ci)微(wei)裂(lie)纹(wen)分(fen)支(zhi)。裂(lie)纹(wen)扩(kuo)展中(zhong)遇(yu)到塑(su)性较好(hao)的β相(xiang)时(shi)，扩展(zhan)路(lu)径发(fa)生(sheng)偏转(zhuan)，改(gai)为沿α/β相界面进
行(xing)，从(cong)而(er)使得(de)裂(lie)纹总长度增(zeng)加，消耗(hao)的(de)能(neng)量(liang)也相(xiang)应(ying)增加(jia)，疲(pi)劳(lao)寿(shou)命增大(da)。片层组(zu)织(zhi)的(de)疲劳寿(shou)命与(yu)β相的(de)厚度(du)
密(mi)切(qie)相关，只(zhi)有(you)当(dang)β相的(de)厚(hou)度足(zu)够(gou)大时，才能够吸(xi)收(shou)裂(lie)纹(wen)尖端(duan)塑性(xing)变(bian)形(xing)过程(cheng)产生(sheng)的能量(liang)从而(er)延缓裂(lie)纹扩(kuo)展速(su)
率。对(dui)于双态(tai)组(zu)织，通过增加(jia)片状α相(xiang)的体(ti)积(ji)分(fen)数(通(tong)过(guo)提高(gao)变(bian)形(xing)温度(du)或在(zai)两(liang)相(xiang)区(qu)较(jiao)高温度(du)热(re)处(chu)理)可增大(da)裂(lie)
纹(wen)扩(kuo)展(zhan)抗(kang)力(li)，提高(gao)疲(pi)劳性(xing)能(neng)。综(zong)合考(kao)虑(lv)TC4钛合(he)金丝(si)材的力(li)学性能和(he)工(gong)艺(yi)塑性(xing)，应选(xuan)择(ze)双态组(zu)织作为产品的
最终组(zu)织状(zhuang)态。
3、结(jie)论(lun)
(1)TC4钛(tai)合金(jin)丝(si)材(cai)经(jing)不(bu)同(tong)工(gong)艺热(re)处(chu)理后得(de)到(dao)的(de)3种(zhong)不(bu)同(tong)显(xian)微(wei)组(zu)织(zhi)中(zhong)，等轴(zhou)组织(zhi)α晶(jing)粒最(zui)为细小且(qie)具有(you)较高的
位(wei)错(cuo)密(mi)度，表现(xian)出(chu)较(jiao)高(gao)的(de)拉伸强(qiang)度；双态(tai)组织中(zhong)存(cun)在不(bu)同形(xing)态的α相(xiang)，具(ju)有(you)最好(hao)的塑性(xing)；片层(ceng)组织(zhi)原(yuan)始(shi)β晶
粒粗大，塑性最(zui)低(di)。
(2)片层组(zu)织TC4钛(tai)合(he)金丝材(cai)的(de)疲(pi)劳性能最(zui)好。当(dang)疲(pi)劳裂(lie)纹长(zhang)度<250μｍ时(shi)，不同显(xian)微组织对应(ying)的(de)裂(lie)纹(wen)扩展(zhan)速
率(lv)差(cha)异较(jiao)大，片(pian)层(ceng)组织的扩(kuo)展速率最(zui)低，等(deng)轴组织(zhi)最(zui)高(gao)。当(dang)裂(lie)纹长度>250μｍ时(shi)，3种显微(wei)组(zu)织(zhi)的裂纹(wen)扩(kuo)展(zhan)
速率无显(xian)著差(cha)异(yi)。
(3)综合(he)考(kao)虑TC4钛(tai)合金(jin)丝(si)材(cai)的力学性能(neng)和(he)工艺塑性，应选择双态(tai)组(zu)织作为产(chan)品(pin)的最(zui)终(zhong)组织(zhi)状态(tai)。
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