钛合金显微组织结构与力学性能关系
所属分类：显微镜百科 点击次数：499 发布日期：2022-05-09
n 钛合金显微组织结构与力学性能关系
钛合金工艺决定显微组织结构，显微组织结构决定力学性能。在生产实践中，通过金相显微镜观察，人们往往进行反推，即根据所要求的力学性能，判断更优的组织状态，然后根据所需要的组织状态，进行合金热加工和热处理工艺的优化。在这个过程中，组织和性能的关系成为最为关键的步骤。
一般的组织与性能的关系，通过大量的测试和实践，已经形成了一定的共识。钛合金四种典型组织形态合金力学性能的一般关系见表1，每一种组织都有其对应的力学性能优势项和劣势项。然而，现代航空飞行材料的综合服役条件，越来越要求材料具有较好的综合力学性能。所以，目前对材料较高要求的综合力学性能和材料性能只能满足部分优势性能的矛盾是钛合金材料加工和工程应用的主要矛盾。为了缓解这一矛盾，人们不断通过工艺的创新，进行组织的更佳化。比如近β、准β、多重热处理的推出，都是一定程度牺牲工艺的便利性，获得更优化的组织形态，从而获得更佳的综合力学性能。
表1 钛合金四种典型组织形态与合金力学性能的一般关系
同显微组织结构对合金力学性能的影响1 显微组织对室温强度和塑性的影响
一般认为，合金随着初生α相的减少，强度下降，塑性升高，所以从等轴组织到双态组织到片层组织，合金塑性逐渐降低，强度逐渐升高。在不同组织状态下TC4合金的室温力学性能见表2。
表2 不同组织状态下TC4合金的室温力学性能
2 显微组织对断裂韧性和裂纹扩展速率的影响
关于组织对钛合金断裂韧性、裂纹扩展速率的影响，通过大量的研究，目前已经得出一些规律，即在β区变形或β区热处理获得的片层状组织结构，可获得更高的断裂韧性和抗裂纹扩展速率。其解释是由于原始β晶界和α集束的影响，裂纹容易分叉而形成次生裂纹，所以裂纹在片状组织中的扩展路径更曲折，导致裂纹总的长度增加，需要消耗更多的能量。两种典型组织状态下TC4合金的性能见表3。不同组织状态下TC11合金的性能见表4.
表3 两种典型组织状态下TC4合金的性能
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机械性能 |
魏氏组织 |
等轴组织 |
|
拉伸强度/MPa |
1020 |
961.1 |
|
延伸率/% |
9.5 |
16.5 |
|
断面收缩率/% |
19.5 |
45 |
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断裂韧性/（MPa·m1/2） |
102 |
58.9 |
表4 不同组织状态下TC11合金的性能
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组织类型 |
热处理制度 |
Rp0.2/MPa |
A/% |
断裂韧性/（MPa·m1/2） |
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等轴组织 |
双重退火 |
1018 |
14.8 |
73.1 |
|
网篮组织 |
双重退火 |
1083 |
12.8 |
91.9 |
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双态组织 |
强韧化 |
1098 |
16.8 |
88.6 |
3 显微组织对合金热强性的影响
钛合金的热强性反应材料在高温条件下抵抗变形的能力，通常研究最广泛的性能有高温下的瞬时强度、持久强度和蠕变强度。大量的研究表明：片状组织的热强性要比球状组织的高。当晶粒尺寸增大并使晶粒结构由球状变为片状组织时，持久强度先是增加，然后降低，合金的抗蠕变能力随着β晶粒尺寸的增大而提高。在钛合金四种典型组织形态中，网篮组织的热强性更好，即网篮组织具有更好的高温拉伸强度、持久强度和蠕变强度的综合性能。魏氏组织次之，等轴组织热强性更低。TC11合金的热强性与组织类型的关系见表5。
表5 TC11合金的热强性与组织类型的关系
4 组织对疲劳性能的影响
光滑试样在对称循环高频应力作用下，等轴组织比片状组织有更好的疲劳强度，同时，组织越细小疲劳性能越好。在四种典型的组织状态下，等轴组织的疲劳性能更好，其次是双态组织，再次是网篮组织，魏氏组织的疲劳性能最差。表6所示为不同组织对TC6合金疲劳性能的影响。
表6 不同组织对TC6合金疲劳性能的影响
钛合金显微组织结构的设计现代飞行器的高速发展，对材料的应用性能也提出了新的要求，即现代航空工业结构设计和选材的五项基本因素：“未损伤”材料的静强度及刚度；“未损伤”材料的疲劳性能；高温使用时的蠕变、持久和热稳定性；有损伤材料的静强度；有损伤材料的疲劳性能。材料选材判据与组织性能的关系见表7。可以看到这些性能对组织的要求具有不可调和的矛盾，所以在现实工程应用中，就需要针对合金要求的力学性能，进行组织的设计，即根据要求设计特有组织或“中间”组织，满足合金力学性能指标要求。以下就典型的两类钛合金—高温钛合金和高强韧钛合金的组织设计进行说明。
表7 材料选材判据与组织性能的关系
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选材要素 |
主要力学性能表征 |
更优的组织状态 |
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“未损伤”材料的静强度及刚度 |
室温强度 |
片层组织 |
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室温塑性 |
等轴组织 | |
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“未损伤”材料的疲劳性能 |
高周疲劳 |
等轴组织 |
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低周疲劳 |
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