盛耀戈 管紅亮 賈贄碩 張帥

(二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司，四川 德陽(yáng) 618000)

鈦合金是航空航天工業(yè)中使用的一種新的重要結(jié)構(gòu)材料，比重、強(qiáng)度和使用溫度介于鋁和鋼之間，強(qiáng)度高并具有優(yōu)異的抗海水腐蝕性能和超低溫性能，因此鈦合金主要用于制作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部件，其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件。目前我實(shí)驗(yàn)室主要檢測(cè)的鈦合金材料有TA15、TC21、TC18、TC4-DT等，實(shí)驗(yàn)室通過試驗(yàn)分析，研究對(duì)比同種材料不同設(shè)備、取樣位置和方向、拉伸速率、控制方式、試樣平行長(zhǎng)度段、加工方式對(duì)鈦合金材料室溫拉伸性能的影響，找出室溫拉伸試驗(yàn)中影響鈦合金室溫拉伸性能的主要因素。

1 試驗(yàn)方法

主要以鈦合金TA15、TC21、TC18、TC4-DT為試驗(yàn)材料，針對(duì)每種影響鈦合金材料室溫拉伸試驗(yàn)因素，選取不同材料的拉伸試樣進(jìn)行試驗(yàn)。

(1)不同試驗(yàn)設(shè)備的夾具裝夾方式，以及設(shè)備的校準(zhǔn)精度不同，可能影響試驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)室使用鈦合金材料作為拉伸性能的比對(duì)，每臺(tái)試驗(yàn)機(jī)所使用的夾具均為螺紋裝夾方式，采用的TA15均為?5 mm試樣，控制方式為應(yīng)變速率控制方法，屈服前拉伸速率0.00025 s-1，屈服后拉伸速率4.5 mm/min，每臺(tái)試驗(yàn)機(jī)取試100件試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，每臺(tái)設(shè)備測(cè)試結(jié)果的平均值見表1。

表1 TA15 不同設(shè)備測(cè)試結(jié)果

(2)根據(jù)客戶與標(biāo)準(zhǔn)要求，實(shí)驗(yàn)室所采用的拉伸速率控制方式主要有應(yīng)變速率控制方式與位移速率控制方式，針對(duì)不同的控制方式，實(shí)驗(yàn)室取試TC18、TC21各100件試樣在電子拉伸試驗(yàn)機(jī)Z400上進(jìn)行試驗(yàn)，以下所有的試驗(yàn)均在該設(shè)備上進(jìn)行，兩種材料測(cè)試結(jié)果的平均值見表2，不同的應(yīng)變速率也會(huì)影響鈦合金的力學(xué)性能，針對(duì)不同的拉伸速率，實(shí)驗(yàn)室取試TC18、TC21各100件、TC4-DT 15件進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果的平均值見表3。

表2 鈦合金不同控制方式測(cè)試結(jié)果

表3 鈦合金不同拉伸速率測(cè)試結(jié)果

(3)鈦合金材料的取樣位置不同，其力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果相差較大，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響較大，實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)計(jì)了兩次取試結(jié)果的合格率，第二次取試的結(jié)果合格率達(dá)到98%，TC18與TC21不同取樣位置各取試20件進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果的平均值見表4。

表4 鈦合金不同位置測(cè)試結(jié)果

(4)取樣方向不同，鈦合金的力學(xué)性能結(jié)果差異較大，實(shí)驗(yàn)室就TC18、TC21的不同取樣方向各取試100件進(jìn)行試驗(yàn)，TC21與TC18不同取樣方向測(cè)試結(jié)果的平均值見表5。

表5 鈦合金不同取樣方向測(cè)試結(jié)果

(5)試樣的尺寸、試樣的平行長(zhǎng)度段不同、其力學(xué)性能有所差異，小截面試樣?5 mm試樣的加工圖紙見圖1～2，針對(duì)不同平行長(zhǎng)度的鈦合金試樣，實(shí)驗(yàn)室各取試100件TC21進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果的平均值見表6。

表6 TC21不同平行長(zhǎng)度斷測(cè)試結(jié)果

圖1 平行長(zhǎng)度段35 mm 拉伸試樣

(6)車床(未加乳化液)與車床(加乳化液)不同加工方式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，針對(duì)兩種不同的加工方式，試驗(yàn)室各取試10件TC18鈦合金試樣進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見圖3。

圖2 平行長(zhǎng)度段38 mm拉伸試樣

(a)屈服強(qiáng)度

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)設(shè)備的影響

通過表1三臺(tái)試驗(yàn)機(jī)的測(cè)試結(jié)果差異可以看出，三臺(tái)試驗(yàn)機(jī)所得到的測(cè)試結(jié)果偏差較小，其中屈服強(qiáng)度的偏差約在9 MPa左右，抗拉強(qiáng)度的偏差約在2 MPa左右，延伸率的偏差約在1.0%，斷面收縮率的偏差約為2.3%左右，說明并不是Z400得到的測(cè)試結(jié)果較其它兩臺(tái)試驗(yàn)機(jī)高。實(shí)驗(yàn)室的拉伸試驗(yàn)機(jī)均經(jīng)過力值、同軸度、橫梁位移、橫梁速率等的校準(zhǔn)，其中Z400拉伸試驗(yàn)機(jī)力值的相對(duì)誤差為0.30%，UTM 5305拉伸試驗(yàn)機(jī)力值相對(duì)誤差0.11%，CMT 5305拉伸試驗(yàn)機(jī)力值相對(duì)誤差0.28%，通過試驗(yàn)機(jī)力值校準(zhǔn)的結(jié)果來看，三臺(tái)試驗(yàn)機(jī)力值相對(duì)誤差差別不大，三臺(tái)拉伸試驗(yàn)機(jī)力值均滿足ASTM E4-2021《試驗(yàn)機(jī)的力校準(zhǔn)與驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程》中±0.5%要求，同軸度滿足ASTM E1012-2019《拉壓軸向負(fù)荷下試驗(yàn)架與試樣同軸度校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)方法》中5%要求，證明拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)TA15、TC18與TC21等鈦合金材料的影響并非主要因素。

2.2 拉伸控制方式的影響

從表3可以看出，對(duì)TC4-DT材料，三種拉伸速率得到的測(cè)試結(jié)果偏差較小，拉伸速率對(duì)其力學(xué)性能的影響較小，其中屈服強(qiáng)度的偏差約在7 MPa左右，抗拉強(qiáng)度的偏差約在5 MPa左右，斷后伸長(zhǎng)率的偏差約在1.2%，斷面收縮率的偏差約為2%左右。

從表3還可以看出，對(duì)于鈦合金TC18、TC21，采用應(yīng)變速率A1(0.00025 s-1)控制方式得到的強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果比應(yīng)變速率控制A2(0.00008 s-1)的測(cè)試結(jié)果高1～2 MPa左右，而兩種控制方式對(duì)鈦合金的塑性無影響；采用國(guó)標(biāo)GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn)：第1部分 室溫試驗(yàn)方法》推薦的應(yīng)變速率0.00025 s-1得到的強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果比美標(biāo)ASTM E8/E8M-2021《金屬材料拉伸試驗(yàn)方法》要求的拉伸速率0.00008 s-1得到的測(cè)試結(jié)果高4～5 MPa左右，而兩種拉伸速率對(duì)鈦合金的塑性無影響；對(duì)于兩種控制方式與不同的拉伸速率所產(chǎn)生的4～5 MPa的偏差是可接受的范圍偏差，因此不同的拉伸速率對(duì)鈦合金TC21、TC18力學(xué)性能基本無影響[1]，證明不同的控制方式與不同拉伸速率不是影響鈦合金的力學(xué)性能的主要因素。

2.3 取樣位置的影響

從表4對(duì)比鈦合金TC21、TC18合格與不合格的拉伸測(cè)試數(shù)據(jù)及兩次測(cè)試的取樣位置來看，鈦合金不同取樣位置力學(xué)性能差異較大，靠近邊緣位置強(qiáng)度偏小，試樣取試位置的示意圖見圖4，造成兩次測(cè)試結(jié)果差異懸殊的主要原因是由于鍛件在軋制或鍛造過程中，金屬沿主加工變形方向流動(dòng)，晶粒被拉長(zhǎng)，其他的夾雜物質(zhì)同時(shí)也向主加工變形方向排列，造成金屬材料在冷熱加工變形過程中材料內(nèi)部的各種缺陷和金屬組織不均勻，使得其變形量不均勻[2]，因此在不同位置取樣時(shí)，產(chǎn)品的力學(xué)性能存在差異，證明取樣位置是影響鈦合金力學(xué)性能的主要因素。TC21兩次測(cè)試試樣的組織見圖5～圖6。

圖4 試樣取試位置

(a)

圖6 第二次取樣位置時(shí)試樣組織

從圖5～圖6可以看出，當(dāng)取樣位置靠近邊緣位置時(shí)，TC21鈦合金組織呈魏氏組織，由于β晶粒長(zhǎng)大，晶界析出連續(xù)α相，導(dǎo)致試樣強(qiáng)度偏低，力學(xué)性能指標(biāo)不合格，當(dāng)取試位置靠近試樣中間位置時(shí)，TC21的兩相鈦合金在β轉(zhuǎn)變溫度附近變形，或在β相區(qū)開始變形，在兩相區(qū)終止變形，形成網(wǎng)籃組織，導(dǎo)致原始β晶粒在變形中被破壞，金相α相發(fā)生扭轉(zhuǎn)或球化，呈鏈狀分布，原始β晶粒輪廓內(nèi)部為α片，相互交叉分布，編織成網(wǎng)籃狀，從而使得試樣強(qiáng)度及塑性均有明顯的升高[3]。證明取樣位置是影響鈦合金力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。

2.4 取樣方向的影響

通過表5可以看出，鈦合金TC21與TC18的縱向性能優(yōu)于橫向與高向性能，主要原因是鍛件在加工過程中一般采用壓力加工，壓力加工時(shí)材料的晶粒和夾雜物沿主變形方向流動(dòng)，形成金屬纖維組織，使得鈦合金材料性能產(chǎn)生各向異性，除此之外，冷加工成型過程中會(huì)形成織構(gòu)與殘余應(yīng)力，造成其性能產(chǎn)生各向異性。一般在平行于軋制方向鈦合金材料的力學(xué)性能良好，垂直于軋制方向，其力學(xué)性能較差[2]。

2.5 試樣尺寸的影響

試樣的尺寸的大小對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響是，同一材料同一狀態(tài)的試樣，大橫截面積的試樣的抗拉強(qiáng)度較小尺寸的低，而且塑性指標(biāo)也下降，主要原因是由于在試樣的實(shí)際加工過程中，由于機(jī)床和刀具的原因無法保證試樣的平行長(zhǎng)度范圍的寬度與直徑處處均勻，造成形狀偏差，使得試樣的工作部分軸線與夾頭部分的軸線不同軸，使試樣在拉伸過程中產(chǎn)生偏心力，產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力，使強(qiáng)度與延伸率均降低[2,4]，但目前試驗(yàn)室所加工的鈦合金試樣均為小尺寸試樣且鈦合金屬于連續(xù)屈服的材料，因此消除了試樣尺寸的大小對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，通過表6可以看出，38 mm試樣的平行長(zhǎng)度的斷后伸長(zhǎng)率較35 mm的測(cè)試結(jié)果高0.2%左右，可以忽略，因此試樣尺寸對(duì)鈦合金力學(xué)性能的影響是可以忽略的，證明試樣尺寸不是影響試驗(yàn)室鈦合金性能差異的主要因素。

2.6 試樣加工方式的影響

從樣坯機(jī)加工成試樣，一般通過車、銑、刨、磨等機(jī)加工，但車削、切削和磨削的深度和進(jìn)給速度及潤(rùn)滑冷卻均會(huì)對(duì)材料的力學(xué)性能產(chǎn)生影響，如果使用含氫的切削液，由于鈦合金的彈性模量小，工件在加工中的夾緊變形和受力變形大，會(huì)降低工件的加工精度，切削過程中在高溫下將分解釋放出氫氣，被鈦吸收引起氫脆；也可能引起鈦合金高溫應(yīng)力腐蝕開裂[2,4]。在加工過程中，進(jìn)刀量較大造成試樣表面產(chǎn)生過熱，導(dǎo)致其強(qiáng)度偏高，斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率偏高，差異見圖3，證明加工方式是影響鈦合金性能的主要因素。對(duì)于鈦合金材料一定要固化加工工藝，在金屬塑性加工過程中正向加載引起的塑性形變強(qiáng)化導(dǎo)致金屬材料塑性形變軟化(屈服極限降低)的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象是包辛格(J.Bauschinger)在金屬材料的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的。

3 結(jié)論

(1)試驗(yàn)設(shè)備只要滿足校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)要求的1級(jí)或更高等級(jí)的要求，試驗(yàn)設(shè)備對(duì)鈦合金力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果的影響是可以忽略的。試驗(yàn)機(jī)每年通過校準(zhǔn)試驗(yàn)機(jī)力值傳感器、試驗(yàn)機(jī)同軸度、橫梁位移、橫梁速率保證試驗(yàn)機(jī)的精度滿足試驗(yàn)要求，在裝夾試樣時(shí)保證試樣的同軸度及試樣在拉伸過程中應(yīng)力集中在一條直線上，使用引伸計(jì)測(cè)量在測(cè)量試樣的變形時(shí)，引伸計(jì)刀刃垂直試樣安裝，防止引伸計(jì)出現(xiàn)打滑造成試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)偏差。

(2)試驗(yàn)的拉伸速率與拉伸控制方式按照標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)置，且滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允差范圍，試樣尺寸按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加工，試樣偏差與粗糙度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，則試驗(yàn)拉伸控制方式與拉伸速率、試樣尺寸及平行長(zhǎng)度段的大小對(duì)鈦合金力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果的影響是可以忽略的。

(3)取樣位置、方向與加工方式是影響鈦合金力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。在取樣的過程中，應(yīng)按照用戶的要求在試驗(yàn)前選取正確的取樣位置和方向、固化加工工藝，控制加工每一工序進(jìn)刀量的大小和設(shè)備轉(zhuǎn)速快慢，避免加工硬化，消除包辛格效應(yīng)，保證拉伸強(qiáng)度和塑性指標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)果的穩(wěn)定性。