TC4鈦合金是20世紀40年代初期研制成功的一種中等強度的口β型鈦合金，具有優良的綜合性能，譽稱萬能合金，是最早最廣泛用于飛機結構的通用鈦合金，包括板材、棒材和鍛鑄件等，主要用于制作飛機結構中梁、接頭和隔框等中等承力構件及緊固件、發動機風扇和壓氣機盤及葉片等[1-3]。我國幅員廣闊，南北溫差大，最低溫度曾達到-52.3℃。在低溫環境及介質條件下，材料內部組織結構可能會有所改變，并引起材料的力學、物理性能的變化[4-6]。如果TC4鈦合金在低溫環境中發生了影響材料性能的微觀組織變化，將對航空發動機的飛行壽命和飛機的飛行安全造成極大的影響。因此了解TC4鈦合金在低溫環境條件下的力學和物理特性及微觀組織變化，對航空發動機與飛機的結構設計和構件的安全使用至關重要。
1、實驗材料與實驗方法
本工作所用TC4鈦合金取自直徑14mm的熱軋棒材。該棒材的熱處理制度為在750℃下保溫1.5h，然后空冷。合金的化學成分如表1所示。TC4棒材參照GB/T 13239-2006標準加工成如圖1所示的低溫拉伸試樣。實驗過程如下：首先在室溫下將試樣夾持固定在恒溫箱內；然后利用液氮將恒溫箱冷卻到243K；試樣在低溫環境中靜置45min后，在該環境中 以0.2mm/min的加載速率測試其拉伸性能。對原始狀態試樣和經過相同低溫處理但沒有進行拉伸測試的試樣，利用X射線衍射(XRD)研究合金的相組成，然后比較其變化。對原始狀態試樣和經低溫處理后但沒有進行拉伸測試的試樣進行表面拋光和腐蝕后，利用金相顯微鏡對比觀察合金的金相組織。腐蝕劑由10mL HF，5mL HNO。和85mL H20混合而成。
2、結果與討論
圖2為TC4鈦合金在243K低溫下的典型拉伸應力一應變曲線。由圖可知，TC4鈦合金在243K低溫下的拉伸過程中，當達到屈服強度后，隨著應變的增加，應力略微增加，當應變量達到2％直到接近瞬斷前，應力基本維持不變即屈服強度很高。這說明TC4合金在低溫下仍具有良好的塑性，在恒應力下發生塑性滾動，低溫下拉伸斷裂時，出現頸縮現象，呈現塑性斷裂特征。
表2列出了TC4鈦合金在室溫下和243K低溫下的拉伸性能。由表可知，TC4鈦合金在243K低溫環境下的抗拉強度和屈服強度明顯高于室溫下的抗拉強度和屈服強度，這說明，低溫處理使TC4的微觀結構發生了有利于拉伸性能的變化，因為其力學性能和使用性能在很大程度上取決于顯微組織[7]。但是TC4鈦合金在低溫下的延伸率明顯降低了，說明雖然TC4 在243K低溫下仍然具有良好塑性，但是其塑性比室溫有所下降。
圖3示出了TC4鈦合金原始狀態和經低溫處理后的微觀組織結構。由圖3a可知，原始狀態時，TC4是由a固溶體和存在于a晶粒間的p固溶體析出相，即魏氏體a相組成。由圖3b可知，低溫處理后，TC4鈦合金的顯微結構在光學顯微尺度下并沒有明顯的變化。
圖4給出了TC4鈦合金原始狀態和低溫處理狀態的XRD曲線，圖中TC4代表原始狀態，TCAT代表低溫處理狀態。由原始狀態的XRD曲線可知，原始TCA鈦合金具有巾Ti和pTi兩種相結構，且a固溶體沿(101)晶面具有明顯的取向生長，這個結果與圖3所示顯微結構是一致的。低溫處理后TCA鈦合金中的相結構沒有發生本質變化，仍然是α-Ti和β-Ti兩種相結構。從圖中兩個特征峰的強度來看，低溫處理前后p固溶體的相結構基本沒有變化。但低溫處理后，α固溶體的(101)晶面的特征峰強度變弱，而其他晶面的特征峰強度沒有改變，說明a固溶體沿(101)晶面的取向變差。取向性變差后，裂紋沿著(101)面持續擴展的難度變大，鈦合金的抵抗斷裂的能力提高，導致TCA鈦合金在243K低溫下的抗拉強度提高，而塑性有所下降。
3、結論
(1)TC4鈦合金在243K的拉伸強度和屈服強度高于室溫時的值，但延伸率有一定程度的下降。
(2)243K低溫下，a固溶體取向性變差是TC4鈦合金低溫拉伸強度和屈服強度提高的原因。
參考文獻
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