鈦合金具有抗拉強(qiáng)度高(686MPa~1176MPa)、密度小(約4.5g/cm³)[1]、高低溫性能優(yōu)異、耐腐蝕性強(qiáng)[2-3]等特點(diǎn)，在航空航天、軍事工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[4]。鈦合金組織是由α相和β相組成的，典型的組織形態(tài)可分為四類：等軸組織、魏氏組織、網(wǎng)籃組織以及雙態(tài)組織[5]。顯微組織形態(tài)對鈦合金宏觀力學(xué)性能與變形行為有著顯著的影響[6]：等軸組織具有較高的強(qiáng)度、良好的塑性以及疲勞性能，綜合性能較好[7]；魏氏組織強(qiáng)度較高、斷裂韌性及抗裂紋擴(kuò)展能力較好，但是塑性、熱穩(wěn)定性較差[8]；網(wǎng)籃組織具有較高的蠕變強(qiáng)度和斷裂韌性等優(yōu)點(diǎn)，但塑性較差[9]；雙態(tài)組織可以認(rèn)為是等軸組織與魏氏組織在一定程度上的結(jié)合，同時具有上述兩種組織的特點(diǎn)，綜合力學(xué)性能較好，具有較高的疲勞強(qiáng)度和塑性，但高溫穩(wěn)定性以及斷裂韌性較差[10-11]。目前廣泛使用的軋制鈦合金板材主要是等軸組織[12]。拉拔工藝制造的鈦合金絲材除等軸組織外還具有細(xì)小的網(wǎng)籃狀顯微組織[13]。除了組織狀態(tài)外，殘余應(yīng)力狀態(tài)也會對材料性能產(chǎn)生很大影響，比如冷拔態(tài)絲材在加工過程中往往會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，進(jìn)而影響其力學(xué)性能[14]。鈦合金絲材和其他鈦合金材料一樣性能優(yōu)異、應(yīng)用廣泛[15]，但目前國內(nèi)對于絲材的力學(xué)性能少有報道。因此，本試驗(yàn)對冷拔態(tài)以及退火態(tài)TC4鈦合金絲材進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，并比較分析不同狀態(tài)TC4鈦合金絲材的力學(xué)性能及變形行為。

1、試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)原料為直徑為2mm的冷拔態(tài)TC4鈦合金絲材。冷拔態(tài)TC4鈦合金絲材中可能存在殘余應(yīng)力，會影響其力學(xué)性能，據(jù)此對絲材開展了不同溫度(保溫1.5h)去應(yīng)力退火處理，工藝參數(shù)如表1所示。

1.2試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

TC4鈦合金絲材的退火使用真空氣氛管式電阻爐，冷卻方式為空冷。室溫拉伸試驗(yàn)在Instron5980萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，使用標(biāo)距段為50mm的引伸計測量變形。拉伸夾具采用金屬絲材專用夾具，如圖1a所示。拉伸應(yīng)變速率為5×10^-4～s^-1，絲材標(biāo)距段為100mm，如圖1b所示。使用Sigma-300掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌。

2、結(jié)果與分析

2.1冷拔態(tài)TC4鈦合金絲材拉伸曲線 冷拔態(tài)TC4鈦合金絲材(1#試樣)的拉伸變形應(yīng)力一應(yīng)變曲線如圖2所示。結(jié)果表明，TC4鈦合金絲材在拉伸變形過程中呈現(xiàn)連續(xù)屈服特征，無明顯的“屈服降”現(xiàn)象；彈性模量為91.1GPa，屈服強(qiáng)度為865.4MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了1060.1MPa，伸長率為9.5％。

2.2退火溫度對TC4鈦合金絲材拉伸力學(xué)性能的影響

TC4鈦合金絲材的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3a所示。從圖3a可以看出，不同溫度退火的TC4鈦合金絲材在拉伸變形過程中均呈現(xiàn)連續(xù)屈服特征，無明顯的“屈服降”現(xiàn)象。由圖3b進(jìn)一步分析可得，隨退火溫度升高，加工硬化率初期下降速度增快，但逐漸出現(xiàn)加工硬化率下降速度減緩的現(xiàn)象，如圖3b中2#試樣和3#試樣拉伸曲線所示；隨著退火溫度進(jìn)一步升高，加工硬化率由連續(xù)下降轉(zhuǎn)變?yōu)榕_階式下降，其下降趨勢變緩，如圖3b中4#試樣和5#試樣拉伸曲線所示。這也可能是4樣試樣和5#試樣擁有較高伸長率(如表2所示)的原因。當(dāng)退火溫度為600℃(5#試樣)時，TC4鈦合金絲材擁有最好的塑性，伸長率為11.3％。

2.3斷口觀察與分析

TC4鈦合金絲材拉伸斷口宏觀形貌如圖4所示。從圖4可以看出，TC4鈦合金絲材在拉伸過程中均出現(xiàn)了頸縮現(xiàn)象，均為韌性斷裂。但由于其頸縮現(xiàn)象并不明顯，斷面收縮率不高，所以TC4鈦合金絲材的塑性較差，與圖3所示的拉伸曲線相符。 

不同狀態(tài)的TC4鈦合金絲材的斷裂方式類似，因此選取400℃退火的TC4鈦合金絲材(3#試樣)作為代表，使用掃描電子顯微鏡進(jìn)一步觀察其微觀斷口形貌，結(jié)果如圖5所示。該拉伸斷口存在明顯韌窩，韌性斷裂微觀特征明顯。如圖5b所示，該區(qū)域主要存在圓形等軸韌窩，分布較為均勻，但韌窩較小且淺，所以塑性較差。除此之外，還觀察到一些孔洞，如圖5c中箭頭所示?？锥纯赡苁怯捎赥C4鈦合金絲材拉伸變形過程中變形部分和非變形部分發(fā)生相對運(yùn)動產(chǎn)生凹陷所導(dǎo)致的。這些孔洞的存在容易引起應(yīng)力集中，使周圍形成剪切帶并形成裂紋，這也是該絲材塑性較差的原因之一。

3、結(jié)論

1)冷拔態(tài)TC4鈦合金絲材的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)連續(xù)屈服特征，無明顯的“屈服降”現(xiàn)象，屈服強(qiáng)度為865.4MPa，抗拉強(qiáng)度為1060.1MPa，伸長率為9.5％。

2)隨退火溫度升高。TC4鈦合金絲材的加工硬化率由連續(xù)下降轉(zhuǎn)變?yōu)榕_階式下降，其下降趨勢變緩。

3)退火溫度為400℃時，TC4鈦合金絲材的抗拉強(qiáng)度最高，為l085.6MPa；退火溫度為600℃時，TC4鈦合金絲材的加工硬化能力最強(qiáng)，塑性最好，其伸長率為11.3％。

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