文章编号：1004-0609(2010)04-0647-08

TC21钛合金的高温动态拉伸力学行为

宫旭辉¹，王  宇¹，夏源明¹，葛  鹏²，赵永庆²

(1. 中国科学技术大学 近代力学系 中国科学院力学行为和材料设计开放实验室，合肥 230027；

2. 西北有色金属研究院，西安 710016)

摘  要：在应变速率为0.001~1 270 s^-1、温度为298~1 023 K条件下对魏氏组织和双态组织的TC21钛合金进行拉伸试验，利用SEM对拉伸试样的断口进行观察。结果表明：TC21钛合金的拉伸力学行为存在显著的温度和应变速率相关性；当应变速率为0.001和0.05 s^-1的屈服应力—温度曲线存在转折点，且转折点温度随应变速率的增大而升高；当温度低于转折点温度时，相同氧含量的TC21钛合金和多晶纯钛的屈服应力具有相似的温度相关性；微观组织影响屈服应力的幅值和拉伸塑性的大小，但不影响屈服应力的温度相关性和应变速率相关性；除魏氏组织在室温0.001 s^-1时为穿晶和沿晶混合断裂外，其他工况下的魏氏组织和双态组织均为穿晶韧性断裂；TC21钛合金在拉伸变形过程中未出现绝热剪切带和形变孪晶。

关键词：钛合金；TC21钛合金；微观组织；魏氏组织；双态组织；动态力学行为；应变速率

中图分类号：TG146.2　　     文献标志码：A

Dynamic tensile behavior of TC21 titanium alloys at elevated temperatures

GONG Xu-hui¹, WANG Yu¹, XIA Yuan-ming¹, GE Peng², ZHAO Yong-qing²

(1. Department of Modern Mechanics, CAS Key Laboratory of Mechanical Behavior and Design of Materials,

University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China;

2. Northwest Institute for Nonferrous Metals, Xi’an 710016, China)

Abstract: Tensile tests were performed on TC21 titanium alloy with Widmanstatten microstructure (W) and bimodal microstructure (BM) at temperature ranging from 298 to 1 023 K and strain rate ranging from 0.001 to 1 270 s^-1. The results show that the temperature and strain rate have significant effects on the tensile behavior of TC21. At low strain rates of 0.001 and 0.05 s^-1, a discontinuity is found in the yield stress—temperature curve. Below discontinuity temperature, the temperature dependence of the yield stress of TC21 is similar to that of cp-Ti that has the same interstitial solute concentration of oxygen. The microstructure affects the magnitude of yield stress and tensile ductility, but not the strain rate sensitivity and temperature sensitivity of the yield stress. The samples with Widmanstatten microstructure show a mixed manner of transgranular fracture and intergranular fracture at room temperature and strain rate of 0.001 s^-1, while under other conditions both microstructures show a manner of transgranular fracture. Neither adiabatic shear band nor deformation twinning is found in the tested samples.

Key words: TC21 titanium alloy; Widmanstatten microstructure; bimodal microstructure; microstructure; dynamic tensile behavior; strain rate

α+β钛合金以其优异的性能被广泛地应用于多个领域，这类钛合金的力学行为通常受到微观组织、温度和应变速率的影响。在过去的几十年中，对α+β钛合金在准静态及动态压缩下的力学行为已进行了一系列的研究^[1-6]。MAJORELL等^[2]在对Ti-6Al-4V的高温低应变速率压缩实验中发现，屈服应力—温度曲线存在转折点，并给出了转折点产生的原因。NEMAT-NASSER等^[4]，LEE和LIN^[5]在对Ti-6Al-4V的高温动态压缩实验中发现，流动应力具有明显的温度相关性和应变速率相关性，且温度相关性要大于应变速率相关性。此外，在变形机理方面，已有的研究表明，在Al含量为6%的α+β钛合金中，主要变形机制为位错滑移^[1-2]，而在纯钛及部分钛合金中经常出现的形变孪晶只有在个别工况下(应变速率为5 000 s^-1[6])才会出现。NEMAT-NASSER等^[4]在对3种不同微观组织的Ti-6Al-4V的高温动态压缩试验中发现，微观组织结构仅影响应力的幅值，并不影响应力的温度相关性和应变速率相关性。

TC21钛合金是一种由中国研制的高强、高韧损伤容限型α+β钛合金^[7]，具有良好的综合力学性能，其α+β转变温度为(1 2235) K。目前的研究工作主要集中在TC21钛合金热处理工艺、微观组织结构和力学性能之间的关系上^[8-11]。冯亮等^[12]对TC21钛合金进行了应变速率为0.01~50 s^-1、温度为1 173~1 373 K的压缩试验，研究了TC21钛合金在不同温度区域内的变形机制。曲恒磊等^[13]对TC21钛合金进行了应变速率为0.01~50 s^-1、温度为973~1 373 K的压缩试验，研究了不同变形条件下微观组织的变化及相应的变形机制。LI等^[14]对Ti700(TC21钛合金的早期编号)进行了应变速率为10⁴ s^-1、温度为293~1 073 K的压缩试验，研究压缩流动应力的温度相关性。这些研究工作表明，微观组织结构、温度和应变速率对TC21钛合金的压缩力学行为均有显著影响。但是，目前对TC21钛合金拉伸力学性能与微观组织及与应变速率和温度的相关性(尤其是在高温动态拉伸状况下)的研究未见报道。

本文作者通过对魏氏组织和双态组织TC21钛合金进行应变速率为0.001~1 270 s^-1、温度为298~1 023 K的拉伸试验,以揭示微观组织、应变速率和温度对TC21钛合金力学行为的影响。通过SEM观察，以揭示微观组织、应变速率和温度对拉伸试样断口形貌的影响；同时借助金相观察，以研究TC21钛合金在拉伸变形过程中是否形成绝热剪切带和形变孪晶。

1  实验

试验所用的TC21钛合金由西北有色金属研究院钛合金研究所提供，其化学成分如表1所列。坯料经α+β相区1 203 K锻造后分别进行不同的热处理以获得不同的微观组织，(1 233 K，1 h，AC(Air cooling))+(873 K，6 h，AC)热处理后得到魏氏组织(Widmanstatten microstructure，W)；(1 173 K，1 h，AC)+(823 K，6 h，AC)热处理后得到双态组织 (Bimodal microstructure，BM)，2种微观组织的形貌如图1所示。

表1  TC21钛合金的化学成分

Table 1  Chemical composition of TC21 titanium alloy (mass fraction, %)

图1  TC21钛合金热处理后的微观组织形貌

Fig.1  Optical micrographs of TC21 titanium alloys after heat treatments: (a) Widmanstattern microstructure; (b) Bimodal microstructure

高温准静态拉伸试验(含室温)是在MTS809试验机上进行的，试验的应变速率分别为0.001和0.05 s^-1,试验的温度范围为298~1 023 K。高温冲击拉伸试验(含室温)是在旋转盘式间接杆型冲击拉伸试验机^[15-16]上进行的，应变速率分别为240和1 270 s^-1，试验温度范围为298~1 023 K，具体工况条件如表2所列。准静态及动态拉伸试件结构示意图分别如图2(a)和(b) 所示。

图2  拉伸试件示意图

Fig.2  Schematic diagrams of tensile samples (mm, δ is thickness): (a) Quasi-static; (b) Dynamic

2  结果与分析

2.1  TC21钛合金的动态力学性能

试验直接得到的TC21钛合金的拉伸工程应力—工程应变曲线(σ^e=σ^e(ε^e)，σ^e是工程应力，ε^e是工程应变))，按照关系σ=σ^e(1+ε^e)和ε=ln(1+ε^e)进行转换可得到相应的真应力—真应变曲线(σ=σ(ε)，σ为真应力，ε为真应变)，结果如图3所示。从图3可以看出，所有曲线均没有明显的屈服点，因此，本实验中用σ_0.2代替σ_s。这与PATON等^[17]的结果不同，所有曲线均未出现锯齿状流动，表明在试验工况内并无动态应变时效出现。准静态加载时，魏氏组织断裂应变随温度的升高而增大，双态组织断裂应变随温度的升高先减小后增大；动态加载时，2种组织的断裂应变均随温度的升高先增大后减小。

各个工况下的屈服应力σ_s、拉伸强度σ_b、 失稳应变ε_b(与σ_b相对应的应变)和断裂应变ε_f如表2所示。

从图3和表2可以看出，双态组织的屈服应力均高于魏氏组织的。LUTJERING^[18]认为影响α+β钛合金屈服应力的主要因素为α束域尺寸。α束域尺寸越小，位错有效滑移长度越小，屈服应力越高。α束域尺寸主要由热处理后的冷却速度和原始β晶粒大小决定，冷却速度越快，原始β晶粒越小，则α束域尺寸越小。本实验所用的双态组织与魏氏组织经热处理后的冷却速度相同(均为空冷)；对于双态组织，由于初生α相的存在，原始β晶粒尺寸小于魏氏组织尺寸，

图3  TC21钛合金的拉伸真应力—真应变曲线

Fig.3  True stress—true strain curves of TC21 titanium alloy: (a) 0.001 s^-1; (b) 0.05 s^-1; (c) 240 s^-1; (d) 1 270 s^-1

表2  各工况条件下TC21钛合金的σ_s、σ_b、ε_b和ε_f

Table 2 Values of σ_s, σ_b, ε_b and ε_f for TC21 titanium alloy under various conditions

因此，双态组织的α束域尺寸要小于魏氏组织的，使得双态组织的屈服应力要高于魏氏组织的。

同时还可以看出，所有工况下双态组织的拉伸塑性均高于魏氏组织的。LUTJERING^[18]认为，影响α+β钛合金塑性的主要因素为α束域尺寸，α束域尺寸越小，塑性越高。由于本实验中魏氏组织的α束域尺寸要大于双态组织的，同时魏氏组织原始β晶界的连续α相会进一步减小其塑性，因此，魏氏组织的拉伸塑性要低于双态组织的。

不同应变速率下魏氏组织与双态组织的屈服应力的温度相关性如图4所示。从图4可以看出，当应变速率为0.001和0.05 s^-1时，两种组织的屈服应力—温度曲线均出现转折点，当应变速率为0.001 s^-1时，转折点温度约为823 K；当应变速率为0.05 s^-1时，转折点温度约为923 K。这表明转折点温度随应变速率的增大而升高。应变速率为240和1 270 s^-1的屈服应力—温度曲线在试验温度范围内未出现转折点(见图4)，这是受试验条件限制而造成的，只要升高试验温度，转折点仍可能出现；这反倒进一步说明了转折点温度随应变速率的增大而升高。

PATON等^[17]发现，Al含量为6%的钛合金的屈服应力—温度曲线在870 K左右出现转折点，并认为底面滑移向随机滑移的转变是转折点出现的原因。MAJORELL等^[2]在对Ti-6Al-4V的高温低应变速率的压缩试验中发现屈服应力—温度曲线上也出现与应变速率相关的转折点，并给出了产生转折点的解释：首先，在铝含量为6%左右的钛合金中，存在促进底面滑移同时抑制其他滑移系开动的沉淀物Ti₃Al，约在800 K时Ti₃Al发生分解，使得受抑制的滑移系得以逐步开动；当温度增加到某一温度时，所有受抑制滑移系且与应变速率相关的临界剪应力趋于一致，使得开动的滑移系数目大幅度增加，导致屈服应力急剧下降，即出现屈服应力—温度曲线的转折点，且转折点温度随应变速率的增大而升高。上述解释对TC21钛合金在拉伸加载下屈服应力—温度曲线出现的转折点可能是成立的。

图4  在不同应变速率时多晶纯钛(cp-Ti)和TC21钛合金的拉伸屈服应力的温度相关性

Fig.4  Dependence of tensile yield stress on temperature for cp-Ti and TC21 titanium alloy at different strain rates: (a) cp-Ti and TC21 titanium with Widmanstatten microstructure; (b) cp-Ti and TC21 titanium with bimodal microstructure

从图4还可以看出，双态组织与魏氏组织的屈服应力具有相似的温度相关性和应变速率相关性；魏氏组织的屈服应力要小于双态组织的屈服应力。这表明对于TC21钛合金，微观组织结构影响屈服应力的大小，并不影响屈服应力的温度相关性和应变速率相关性。这与NEMAT-NASSER等^[2]的结论是一致的。

C、N和O等间隙元素对α+β钛合金的力学行为有重要影响。MEESTER等^[1]提出用氧含量w^eq(O)统一表征O、N、C等间隙元素对钛合金力学行为的影响， O、N、C的含量满足如下关系式：w^eq(O)=w(O)+2w(N)+ 0.75w(C)(质量分数)；并发现，当温度低于760 K时，相同氧含量的纯钛与Ti-6Al-4V具有相同的温度相关性，其主要变形机制均为位错与间隙元素的热激活相互作用。

HUANG等^[16]对多晶纯钛(cp-Ti)进行了不同温度下的拉伸试验，实验用cp-Ti中氧含量为0.14%，低于TC21钛合金的氧含量(0.18%)。为了比较相同氧含量时cp-Ti与TC21钛合金屈服应力的温度相关性，按照如下关系^[6]将cp-Ti中氧含量为0.14%的屈服应力转换为氧含量为0.18%的屈服应力，结果如图4所示。从图4可以看出，当应变速率为0.001 s^-1、温度低于转折点温度时，相同氧含量的cp-Ti和TC21钛合金的屈服应力具有相似的温度相关性，这与MEESTER等^[1]的结论是一致的。

2.2  断口和金相观察

利用SEM对所有工况下TC21钛合金拉伸试样的断口形貌进行观察，部分典型照片如图5所示。从图5(a)和(b)可以看出，在常温准静态条件下，魏氏组织的断裂形式为穿晶断裂和沿晶断裂的混合断裂，而双态组织则为穿晶韧性断裂。随温度的升高，两种组织均为穿晶韧性断裂(见图5(c)和(d))，断口表面由韧窝组成且韧窝的直径和深度随温度的升高而增大。高应变速率下，魏氏组织和双态组织均为韧性断裂，且魏氏组织的韧窝深度大于相同温度下双态组织的韧窝深度(见图5(e)和(f)、(g)和(h))。由图5(b)和(f)、(d)和(h)可以看出，在相同温度下，双态组织韧窝的深度随应变速率的增大而减小；魏氏组织韧窝的深度随应变速率的变化并不明显(见图5(c)和(g))。

从图5还可以看出，从几何尺寸出发，魏氏组织和双态组织断口表面的韧窝均可分为细小韧窝和宽大韧窝。对于魏氏组织，细小韧窝可能是由单个α晶粒或β晶粒断裂形成的，宽大韧窝则可能是α束域断裂形成的；对于双态组织，细小韧窝可能是片状α晶粒或β晶粒断裂形成的，宽大韧窝则可能是等轴α晶粒或α束域断裂形成的。

从图5中还可以看出，两种组织断口表面均未发现与绝热剪切相关的局部熔化区域^[19]。金相观察表明，所有工况下的拉伸试样断口侧面未出现绝热剪切

图5  TC21钛合金拉伸试样的断口表面形貌

Fig.5  Morphologies of fracture surfaces of TC21 tensile samples: (a) W, 0.001 s^-1, 298 K; (b) BM, 0.001 s^-1, 298 K; (c) W, 0.001 s^-1, 873 K; (d) BM, 0.001 s^-1, 873 K; (e) W, 1 270 s^-1, 298 K; (f) BM, 1 270 s^-1, 298 K; (g) W, 1 270 s^-1, 873 K; (h) BM, 1 270 s^-1, 873 K

带(见图6)。MAKEL和EYLON^[19]在对Ti-6Al-4V准静态常温拉伸试样断口表面的观察中发现，等轴组织的Ti-6Al-4V拉伸试样断口表面存在由绝热剪切引起的局部熔化区域，并认为绝热剪切是导致Ti-6Al-4V失效破坏的主要原因。此外，在其他Ti合金的压缩试验中也发现了绝热剪切现象^[1-2]。本实验中TC21钛合金在拉伸变形过程中未出现绝热剪切，其具体原因还有待进一步研究。金相观察表明，TC21钛合金在拉伸过程中并未出现形变孪晶。

图6  在1 270 s^-1、298 K条件下试样断口侧面的金相照片

Fig.6  Metallographs of sections perpendicular to fracture surfaces of samples tested at 1 270 s^-1 and 298 K:          (a) Widmanstatten microstructure; (b)Bimodal microstructure

3  结论

1) 在试验温度和应变速率范围内， TC21钛合金的拉伸力学行为存在显著的温度和应变速率相关性。不同应变率的屈服应力—温度曲线中存在转折点，且转折点温度随应变速率的增大而升高；双态组织的应力水平和拉伸塑性均高于魏氏组织的，其主要原因为双态组织的α束域尺寸要小于魏氏组织的；双态组织和魏氏组织的屈服应力具有相似的温度相关性和应变速率相关性，表明微观组织结构不影响TC21钛合金屈服应力的温度相关性和应变速率相关性。

2) 当温度低于转折点温度时，相同氧含量的TC21钛合金和cp-Ti的屈服应力具有相似的温度相关性，表明在此温度范围内影响两者屈服应力温度相关性的机制为位错与C、N和O等间隙元素的相互作用。

3) 准静态加载和室温下魏氏组织为穿晶断裂和沿晶断裂的混合断裂，随应变速率和温度的增大变为完全的韧性断裂；双态组织断裂方式均为韧性断   裂。两种组织的韧窝从几何尺寸均可分为两类，但其形成机理有所不同。两种组织韧窝的深度和尺寸均随温度的升高而增大。结合金相观察结果可认为，在拉伸变形过程中两种组织均未出现绝热剪切带和形变 孪晶。

致谢

感谢近代力学系龚兴龙教授在金相观察方面所给予的帮助。

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(编辑  龙怀中)

基金项目：国家自然科学基金资助项目(10472100)

收稿日期：2009-04-17；修订日期：2009-09-20

通信作者：夏源明，教授；电话：0551-3601645；E-mail：ymxia@ustc.edu.cn