初生α含量对Ti-6Al-4V钛合金拉伸性能的影响

  Ti-6Al-4V为(α+β)钛合金,主要应用于飞机结构件、外科植入物及海洋化工等领域。科研人员试图通过热处理制度的改变,调整合金中初生α相的含量,即改变α与β两相的相对比例,并研究材料拉伸性能的变化。

  选用Φ15mmTi-6Al-4V钛合金轧制棒材,棒材横截面积原始组织为等轴组织。试验用合金的具体化学成分(质量分数,%):Al5.5~6.75,V3.5~4.5,Fe0.25,O不大于0.18,C不大于0.05,N不大于0.05,H不大于0.012,基体Ti。对该合金的棒材分别经过925、915、905和750℃加热,保温1h的热处理制度。空冷后获得初生α相含量(体积分数,%)分别为64、71、76和81的等轴组织。

  在热处理后的棒材上沿轴向取Φ6mm的试样,然后在INSTRON5885试验机上进行力学性能及弹性模量测试。显微结构分析在AXIOVERT200MAT型金相光学显微镜上进行。

  室温力学性能的拉伸加载速度为屈服前0.005mm/min,屈服后8mm/min。弹性模量的测量方法为均速加载至约500MPa时卸载,重复多次后求平均值。金相腐蚀剂配比:5%HF+10%HNO3+85%H2O,观察显微结构的放大倍率为500倍。试验结果表明:

  (1)Ti-6Al-4V中初生α含量在64~85%范围内弹性模量E值的变化不大,随初生α含量的减少,E值略有提高,为109GPa。弹性模量的实际变化取决于组织的性质和强度。一般情况下,β相的弹性模量E比α相的值低,且对于含有β相稳定元素的钛合金(如Ti-6Al-4V中的V元素),稳定元素含量(0~10%)的提高会降低E值。相反的,常见的α相稳定元素Al可增加α相的弹性模量。所以,元素组成及含量也是影响E值的主要因素之一。但有资料表明,时效处理后,由于弥散强化,强度和E值会有所提升。

  (2)不同热处理制度下,初生α含量随退火温度的升高而降低,同时伴有晶粒的长大,强度指标(Rm、Rp0.2)随初生α含量降低而降低。相反的,塑性指标(A、Z)略有提高,同时屈强比降低。

  (3)塑性指标随初生α含量的减少而略有提高,这与屈强比降低后,塑形指标提高的理论相吻合。