简介概要

TC18钛合金棒材和锻件的冲击性能及断口分析

来源期刊：稀有金属2019年第8期

论文作者：刘莹莹张君彦王梦婷李洁洁

文章页码：891 - 896

关键词：TC18钛合金;断口形貌;冲击韧性;

摘要：对TC18钛合金棒材和锻件的L向、 T向冲击性能及断口形貌分别进行研究,分析了合金具有不同微观组织时冲击性能相差较大的原因。结果表明,棒材和锻件的宏观断口虽然相似,但棒材中残存的块状、条状初晶α相在冲击功的作用下与基体β晶不能协调变形且易与基体分离,当硬质初晶α相位于试样内部时,裂纹极易产生和扩展。相比与棒材L, T向的室温冲击韧性值α_k,锻件的L向冲击韧性提高幅度较高,其平均比棒材高出15.2 J·cm^-2。通过锻造可破碎棒材中存留的部分铸造初晶α相粒子及偏析物,使其分布均匀,从而促进裂纹在冲击过程中扩展路径的曲折程度,进而提高材料的断裂韧性。为了更深一步了解冲击性能的影响因素,本文在传统预测冲击韧性模型的基础上,考虑了试样预制缺口尺寸和材料的延伸率,重新构建了断裂区面积和冲击韧性的关系模型,并比较了新模型和实验数据的吻合度。

网络首发时间: 2018-09-03 17:21

稀有金属 2019,43(08),891-896 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy18060014

TC18钛合金棒材和锻件的冲击性能及断口分析

刘莹莹张君彦王梦婷李洁洁

西安建筑科技大学冶金工程学院

摘要：

对TC18钛合金棒材和锻件的L向、 T向冲击性能及断口形貌分别进行研究, 分析了合金具有不同微观组织时冲击性能相差较大的原因。结果表明, 棒材和锻件的宏观断口虽然相似, 但棒材中残存的块状、条状初晶α相在冲击功的作用下与基体β晶不能协调变形且易与基体分离, 当硬质初晶α相位于试样内部时, 裂纹极易产生和扩展。相比与棒材L, T向的室温冲击韧性值α_k, 锻件的L向冲击韧性提高幅度较高, 其平均比棒材高出15.2 J·cm^-2。通过锻造可破碎棒材中存留的部分铸造初晶α相粒子及偏析物, 使其分布均匀, 从而促进裂纹在冲击过程中扩展路径的曲折程度, 进而提高材料的断裂韧性。为了更深一步了解冲击性能的影响因素, 本文在传统预测冲击韧性模型的基础上, 考虑了试样预制缺口尺寸和材料的延伸率, 重新构建了断裂区面积和冲击韧性的关系模型, 并比较了新模型和实验数据的吻合度。

关键词：

TC18钛合金;断口形貌;冲击韧性;

中图分类号： TG146.23;TG311

作者简介：刘莹莹 (1977-) , 女, 陕西西安人, 博士, 副教授, 研究方向:钛合金组织性能研究, 电话:029-82205097, E-mail:wfllyy7779@163.com;

收稿日期：2018-06-07

基金：国家留学基金管理委留学基金项目 (201707835004) 资助;

Impact Properties and Fracture Analysis of TC18 Titanium Alloy Bars and Forgings

Liu Yingying Zhang Junyan Wang Mengting Li Jiejie

School of Metallurgical Engineering, Xi'an University of Architecture & Technology

Abstract：

The impact properties of longitudinal and transverse on TC18 titanium alloy bars and forgings and the morphology of the impact fracture surface were studied. The reasons for the difference in impact properties of the alloy with different microstructure were analyzed. The results showed that the macro fracture of the bar and the forging was similar, but the residual initial crystal alpha block and strip in the bar could not coordinate with the matrix under impact work, and could be easily separated from the matrix. When the hard initial crystal was in the sample, the crack was easily produced and expanded. The impact toughness of the forgings was higher in the longitudinal direction than that of the bar in longitudinal and transverse direction at room temperature, and the average was 15.2 J·cm^-2 higher than that of the bar. By forging, the partially initial cast crystalline alpha phase particles and segregation in the bar could be broken, the distribution of the particles was uniform, thus promoting the cracks′ zigzag degree of the path in the process and improving the fracture toughness of the material.In order to further understand the impact factors of impact performance, on the basis of traditional prediction of impact toughness model, the relationship model of fracture area and impact toughness was rebuilt by considering the size of specimen prefabricated gap and the elongation of material, and the consistency of the new model and the experimental data was compared.

Keyword：

TC18 alloy; fracture surface morphology; impact toughness;

Received： 2018-06-07

高强度钛合金由于其优异的强度和韧性, 相对较低的密度及良好的抗蠕变性能, 已被广泛应用于航空航天等经济领域 ^[1,2] 。 TC18合金 (Ti-5Al-5Mo-5V-Fe-Cr) 是一种过渡型α+β型钛合金, 对应的俄罗斯牌号为BT22, 具有高强韧性、高塑性、焊接性良好等特点, 如Ti1027和Ti17。因此被广泛应用于生产飞机承力横梁、起落架等和一些大型高承载部件, 是一种重要的航天材料 ^[3,4,5] 。在实际应用中, 这些大型承载部件不可避免会存在各种缺口, 比如螺纹、键槽、台阶、刀痕等, 当施加载荷时, 缺口处容易形成应力集中, 会大大降低材料的使用寿命。因此, 在棒材和锻件的使用标准中, 对冲击韧性有着更高的要求 ^[6,7,8,9] 。

本文通过对比TC18钛合金棒材和锻件在室温下的L, T向冲击性能、断口形貌, 获得对零件进行结构设计和强度计算的基本数据。在断裂过程中包含有裂纹的萌生与扩展, 夏比冲击实验中冲击功可分为裂纹形成功和裂纹扩展功。故本文在传统冲击韧性模型的基础上, 考虑了预制缺口面积和合金的延伸率, 重新构建了冲击韧性与断裂面积之间的新模型, 为该合金材料及锻件提供所需的冲击性能设计数据。

1 实验

本实验所用的材料为TC18棒材和锻件, 其化学成分如表1所示。实验金相显微组织在OLYMPUS GX51光学显微镜下完成, 断口形貌采用VEGA III TESCAN型扫描电镜 (SEM) 观察。冲击试验按GB/T 229-2007要求加工试样, 试样长度L=55 mm, 截面为10 mm×10 mm, 采用U型缺口, 深度为2 mm, 试样尺寸如图1所示。实验于室温下在PIT452D-2的金属摆锤试验机上完成。

锻件主要合金元素Al含量要相对高一些。 Al元素是α相稳定元素, 当其含量较高时能增强α相的固溶强化作用, 提高合金的强度, 降低其比重, 增加弹性模量。而Mo元素是β相稳定元素, 可提高合金塑性 ^[10] 。

从表1中可看出, TC18棒材和锻件所含的主要杂质元素O, N和H, 含量差别最大的仅为N元素, 其中锻件含量仅为棒材含量的1/3。 O和N元素在α相中有较大的溶解度, 可提高合金强度但却会降低其塑性。 H在α相中的溶解度很小, 钛合金中溶解过多的H会产生氢化物, 使合金变脆。

2 结果分析

2.1 金相显微组织分析

图2, 3分别为TC18合金L向和T向的显微组织。如图2 (a) 所示, 棒材是由不均匀的等轴状和条状密排六方堆积 (hcp) 的α相及体心立方 (bcc) 的β相转变组织组成 ^[11] 。其L向为等轴组织, α相粒子的尺寸约3 μm, 沿着L向还存在被变形拉长的条状α相; 锻件L向是由针状α相和β相交替组成的呈网篮状排列的组织, α条的厚度约为2 μm。棒材T向的组织形貌如图3 (a) 所示, 呈等轴组织且α相较均匀的分布在β晶界或晶内。图3 (b) 中锻件T向也为均匀的网篮状组织, 显微组织与L向相同, 均为等轴α相 ^[12] 。

图1 冲击试样尺寸

Fig.1 Impact specimen size (mm)

2.2 合金冲击韧性对比

图4是棒材和锻件的冲击韧性对比图, 可看出TC18锻件L向和T向冲击韧性值明显较高。这和锻件中N元素含量较小有关, N元素较少可提高合金塑性, 使合金冲击韧性提高。棒材和锻件的L向冲击韧性较为稳定, 而T向冲击韧性值均波动较大。棒材T向的冲击韧性最大最小值相差高达41.4%, 锻件T向的值也较分散, 最大值为43.1 J·cm^-2, 最小值为33.8 J·cm^-2。经锻造后锻件L向和T向组织均为网篮状, α和β相在一定程度上被破碎且均匀分布, 使裂纹在扩展过程中路径较为曲折, 而棒材的双态组织中裂纹扩展路径较平直, 这是锻件冲击韧性较高的主要因素 ^[13] 。

2.3 冲击断口形貌

TC18合金L向断口SEM图如图5所示, 图5中纤维区、放射区和剪切唇区对应的微观图已在图中标出。从图5 (a) 宏观断口中可看出, 剪切唇区裂纹快速扩展, 此时的裂纹在平面应力状态下发生失稳, 材料塑性变形量很大, 属于韧性断裂。在微观断口中, 纤维区有相似尺寸且均匀分布的凹痕, 剪切唇区韧窝具有一定的方向且分布较均匀。图5 (b) 中, 锻件断口较为平整, 颜色较暗, 微观断口中纤维区由等轴韧窝组成, 具有较好的塑韧性。放射区具有大而深的等轴韧窝, 分布均匀且数量较多, 剪切唇区由许多浅凹坑组成, 表面有较明显的撕裂脊 ^[14] 。图中棒材L向与锻件L向宏观形貌虽然类似, 但棒材L向的冲击断口宏观形貌上有较深裂痕, 在扩展区有少量由于大块α粗晶和偏析物存在而使晶界与相界处产生的裂纹 (图5 (a) ) , 而锻件的扩展区为均匀韧窝状。

表1 TC18合金化学成分

Table 1 Chemical composition of TC18 alloy (%, mass fraction)

Elements	Al	Mo	V	Cr	Fe	C	Si	Zr	O	N	H	Ti
Bars	5.48	5.28	5.05	1.02	0.88	0.013	0.017	0.01	0.12	0.017	0.001	Bal.
Forgings	5.64	5.24	5.03	1.01	0.89	0.009	0.053	<0.01	0.12	0.005	0.003	Bal.

图2 TC18合金L向的显微组织

Fig.2 Microstructure of TC18 alloy longitudinal directional

(a) Bar; (b) Forging

图3 TC18合金T向显微组织

Fig.3 Microstructure of TC18 alloy transverse directional

(a) Bar; (b) Forging

图4 TC18棒材和锻件的冲击韧性对比

Fig.4 Comparison of impact toughness of TC18 bars and forgings

图6为TC18合金棒材和锻件T向冲击性能较好试样的冲击断口形貌图。棒材宏观断口表面表现出较大起伏, 而锻件宏观断口较为平整, 对于微观断口形貌来说, 锻件剪切唇区韧窝尺寸远小于棒材, 而棒材此区韧窝具有明显的方向性。锻件纤维区和放射区韧窝相比于棒材具有深且大的特点, 这是由于冲击断口在平面应变状态时, 裂纹达到临界尺寸后会快速扩展形成结晶区, 结晶区受正应力, 微观上呈等轴状韧窝, 有明显的韧性脊 (图中亮白色区域) ^[15] 。

图5 TC18合金L向室温冲击断口形貌

Fig.5 Fracture morphology of TC18 alloy longitudinal to room temperature

(a) Bar:Sample 1 (α_k=32 J·cm^-2) ; (b) Forging:Sample 1 (α_k=37.5 J·cm^-2)

图6 TC18合金T向室温冲击断口形貌

Fig.6 Fracture morphology of TC18 alloy transverse to room temperature

(a) Bar:Sample 1 (α_k=29.0 J·cm^-2) ; (b) Forging:Sample 1 (α_k=43.1 J·cm^-2)

图7 TC18合金T向室温冲击断口形貌

Fig.7 Fracture morphology of TC18 alloy transverse to room temperature

(a) Bar:Sample 2 (α_k=23.5 J·cm^-2) ; (b) Forging:Sample 3 (α_k=33.8 J·cm^-2)

TC18合金棒材和锻件冲击性能最差组的断口形貌图如图7所示。对比图6, 7, 在冲击性能最好的棒材T向试样扩展区有尺寸较大数量较多的空洞和裂纹, 而在冲击性能较差的试样中, 其宏观形貌有较明显的撕裂台阶, 这主要是因为棒材中还存留有原始初晶α块和条, 这种硬质相粒子在冲击功的作用下与基体β晶不能协调变形, 极易与基体分离, 当这种硬质初晶α相位于试样内部时, 裂纹极易产生和扩展从而使试样断裂。

综合以上各断口图, 可看出TC18锻件的宏观断口较为粗糙, 这归因于锻件较粗大的网篮状组织, 其L向和T向宏观断口处均无明显的纤维区且较为平整, 经锻造后组织中硬质初晶α相虽在一定程度上被破碎, 但仍较粗大且较为分散, 因此在其周围易萌生裂纹, 尤其是在冲击性能较差的图7 (b) 中。而棒材的组织较为细小, 在冲击过程中裂纹会以切过基体和α相的形式扩散且扩展路径较为平直; 棒材L向断口的纤维区、放射区、剪切唇区的韧窝均较深, 为明显的穿晶断裂, 仅有很少一部分为沿晶断裂。这是由于晶粒沿L向拉长, 晶界密度很低, 不利于沿晶断裂的发生; T向宏观断口表面裂痕较深, 裂纹扩展吸收的能量较多, 穿晶断裂占较大比例。

表2 TC18钛合金试样的断裂区面积

Table 2 Fracture area of TC18 titanium alloy specimens (cm²)

Samples	Bar longitudinal (Sample 1)	Bar transverse (Sample 1)	Bar transverse (Sample 2)	Forging longitudinal (Sample 1)	Forging transverse (Sample 1)	Forging transverse (Sample 3)
S_c	0.70	0.63	0.48	0.61	0.72	0.54

2.4 模型建立

冲击韧性α_k是合金力学性能综合指标, 它和材料的强塑性、试样尺寸和预制缺口形状有关, 可用来评定材料的韧脆程度 ^[16] 。传统意义上冲击韧性α_k被定义为式 (1) :

αk=AkSN?????????(1)

式中A_k为冲击功 (J) 可用能量形式体现, 如式 (2) 所示。断裂区 (本文将纤维区和放射区统称为断裂区) 内在冲击韧性α_c可用式 (3) 表达。 S_N为断面总面积, 断裂总面积不包括预制缺口面积, 如 (式 (4) ) 所示:

A_k=U_s+U_c (2)

αc=UcSc?????????(3)SN=Ss+Sc?????????(4)

式中U_c和U_s分别为形成断裂区和剪切唇区能量。 S_s为剪切唇区面积, S_c为断裂面积, 本文用Photo Shop和Image-Pro-Plus软件相结合测得断裂面积S_c, 如表2所示。

结合式 (3) 和式 (4) , 可得到断裂区冲击韧性的表达式, 如式 (5) 所示。

αk=αcSc+UsSN?????????(5)

本文所用实验材料TC18钛合金具有较强的缺口敏感性。另外, 材料的塑性对冲击韧性也有较大的影响, 延伸率是描述材料塑性性能指标。因此, 本文考虑了试样预制缺口尺寸和材料的延伸率, 在传统模型 (5) 的基础上, 重新构建符合本实验材料的新模型, 如式 (6) 所示。

式中预制U型缺口面积S经计算为0.0514 cm²; δ为延伸率, 数值如表3所示。

通过式 (6) 得到的冲击韧性和试验数据进行比较, 如图8所示。

表3 TC18钛合金的部分力学性能

Table 3 Partial mechanical properties of TC18 titanium alloy

Alloys	Tensile strength R_m/MPa	Yield strength R_p0.2/MPa	Elongation A/%	Reduction of area Z/%	Elastic modulus E/GPa
Forging	1136	1085	12	37	114
Bar	1035	992	17	55	100