室温下钛合金准静态拉伸力学性能分析

室温下钛合金准静态拉伸力学性能分析

彭耿琦,陆金香,聂思远

中国航发南方工业有限公司 湖南省株洲市 412002

【摘要】TC11钛合金是一种极具代表性的航空专用材料，综合性能出色。现阶段随着航空高新技术的持续进步，TC11钛合金实际应用领域不断扩充，这对TC11钛合金的性能提出了更严苛的要求。TC11钛合金为一类极难加工的金属材料，但因TC11成型温度范围窄，极易因锻造工艺成熟度不高而达不到生产标准。而TC11钛合金失效与其拉伸力学性能息息相关。因此本文探讨室温下钛合金准静态拉伸力学性能，旨在为相关研究提供有效参照及借鉴。

【关键词】TC11钛合金；准静态；拉伸力学性能

TC11钛合金属于典型的型热强钛合金，其综合性能良好，在温度低于500摄氏度时具备出色的热强性能（如高温强度、蠕变抗力等）和优秀的室温强度。TC11的热加工工艺性能同样良好，此类功能最常见的就是常规工艺性及超塑性，使TC11能够用于焊接及多种强度的机加工。

1 TC11钛合金的拉伸力学功能概述

现阶段TC11钛合金不断扩充其应用领域，其热处理及等温锻均已获得不俗的成绩。TC11合金用于航空发动机主要构件如压气机盘、叶片等的锻造。借助区热变形以及区热处理后的TC11的长期工作温度上限达至500摄氏度。TC11钛合金在航空领域用量极大，且多用于发动机关键性构件的制造，即其失效极易灾难性的破坏事故。而TC11钛合金失效与其力学性能分析息息相关。

就日常生产而言，力学性能分析为各类金属材料复验或构件加工的核心参数，要提升材料力学性能，则一定要准确掌握其力学性能方面的各项指标。传统的力学性能评优指标为强度、屈服强度、延伸率、断面收缩率等，测试这些力学指标要依照相应的试验标准规范。GB/T228、HB5143等金属航空室温试验拉伸方法均对金属材料的拉伸速度给出相关规定标准。换言之，即金属材料的上述几个力学性能指标处在适当范围内，则意味着金属材料力学性能较为稳定。而TC11钛合金作为典型的航空材料，掌握其准静态拉伸力学性能数据，对于稳定该此合金性能、提升其平稳性来说至关重要。

2室温下钛合金准静态拉伸力学性能试样及方法

室温下钛合金准静态拉伸力学性能所用的试样为TC11钛合金型锻件，所用试验方法则是室温和 500℃拉伸强度测试以轴向加载这一方式拉。

2.1试样制备

具体的室温下钛合金准静态拉伸力学性能实验用金属材料为为TC11钛合金锻件，名义化学成分如下，即6.5Al、3.5Mo、1.5Zr、0.3Si等，选取真空自耗熔炼及锻造工艺方法制备。TC11钛合金开始本次室温下的准静态拉伸试样形状为圆柱形试样，试样直径、原始标距遵循对应5毫米、30毫米。

2.2实验方法

根据GB/T228的具体规定，本次准静态TC11合金拉伸力学实验在WDW-100D型万能实验机内开展实验。实验温度设定成常温。为掌握到TC11钛合金的各类准静态力学性能指标，应变率选取0.001S-1，0.01S-1与0.1S-1等三个不同的实验条件，对应加载速率循序即1.5、15及150mm/min。实验完成后，为使后续实验的分析工作更为便捷，对试样的非断裂面开展线切割后加以打磨。随后选取电子显微镜观察此次拉伸试样断口具体的微观形貌。

3室温下钛合金准静态拉伸力学性能实验结果分析

3.1TC11钛合金准静态拉伸性能分析

基于不同应变率这一前提条件，TC11合金试样在室温准静态的拉伸应力曲线及拉伸性能有着不同的表现。随着不断增加应变率，在塑性变形阶段时，对应的流动应力与应变北成正比增大。当在应变率是0.1S-1时，TC11试样对应应力变化幅度最大。TC11试样在三个不同的应变率时分别得到不同的屈强比，即依次是。TC11试样在不同应变率时的准静态抗拉强度各有不同，即0.001S-1时其抗拉强度为1090MPa，0.1S-1时其抗拉强度为1180MPa；TC11试样在不同应变率时的准静态屈服强度各有不同，即0.001S-1时其屈服强度为904.7MPa，0.1S-1时其屈服强度为1073.8MPa。即TC11试样的准静态抗拉强度及其屈服强度均展示出同应变率的相关性。鉴于此结果可知，TC11钛合金试样在准静态拉伸实验中展示出不同应变率下的高敏感性。

3.2TC11钛合金断口宏观形貌分析

在分析过TC11钛合金拉伸性能后，要针对其断口宏观形貌开展分析。借助上一环节的准静态拉伸实验可以得到TC11试样断口的显微组织。从中可以发现，在上述三个应变率的试验条件下，TC11试样均有颈缩现象产生，试样截面形状呈杯锥状，剪切唇区较光滑、纤维区呈灰色，放射区则表现不显著。当应变率值为0.1S-1时，该合金试样对应着平整的纤维区。随着应变率值持续增大，纤维区形貌变得愈加不光滑平整。

当应变率由0.001S-1提升至0.1S-1时，会导致TC11试样断口剪切唇区面积愈加变大。拉伸试验时TC11试样的

组织结构发生变化导致这一现象的发生。研究表明，等轴相可促进抗裂纹萌生力的提升，而相则促进抗裂纹扩展力的强化。然而当应变率持续加大时，因TC11试样轴向应力随之加大，引起剪切面裂纹扩展进一步加速。这说明试样断口形貌变化对照其抗拉强度保持同步变化。因此可认定TC11合金试样置于准静态拉伸时会发生韧性断裂，但韧性不足。

2.3TC11钛合金断口显微结构分析

随后经过准静态拉伸实验同样可得试样断口的显微组织结构，从显微组织结构可知，应变率设定在0.001S-1之时，TC11合金试样断口会形成多个大小各异的韧窝，大韧窝内存在着许多小韧窝，少数韧窝较深，其底部生有成核颗粒或空洞，这一现象是因为单轴拉伸造成的等轴韧窝。与此同时，TC11试样断口出现部分撕裂棱。鉴于上述特征，试样断口呈现出韧性断裂以及弹簧准解理断裂，且以前者为主。当应变率设定在0.01S-1之时，TC11试样断口撕裂棱数量增多，对应韧窝小而浅。当应变率设定在0.1S-1时，试样断口局部呈现出现准解理面特征。综上可知，应变率与TC11试样拉伸断口韧窝尺寸及深度呈反比，但解理面则会变多。这意味着应变率不断增加会改变TC11合金的塑性。

结论

本文以TC11钛合金作为试样，对其基于准静态下的拉伸力学性能开展全面分析，通过上述研究可得出如下几条结论：

第一，当对TC11钛合金试样设置不同的应变率数据时，其具有相当的应变率敏感性。处于准静态拉伸这一条件时，其抗拉强度对照应变率的提高而不断增大。

第二，TC11合金置于静态拉伸时会产生颈缩现象，试样截面形状呈杯锥状，剪切唇区较光滑、纤维区呈灰色，放射区则表现不显著。颈缩并不突出，合金试样断面收缩较低。即TC11合金试样置于准静态拉伸时会发生韧性断裂，但韧性不足。

第三，TC11合金试样断口会形成多个大小各异的韧窝。当应变率持续增大时，则试样断口表面韧窝变小且浅，TC11试样断口出现部分撕裂棱。其断裂机制为表现为试样断口呈现出韧性断裂以及弹簧准解理断裂。

综上分析可以明确，只有准确掌握TC11室温下的准静态拉伸的具体力学性能，方能进一步分析其在不同应变率作用下的变形特征，为后续提升TC11铝合金利用效率奠定扎实的基础。

参考文献：

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[2]姜丽华，田军强，张利军，周中波.热处理对钛合金室温力学性能的影响[J].材料开发与应用，2017，32（04）：38-43.